碳负载金属纳米材料的制备、表征及其催化性能研究

发布时间：2017-08-07 12:18

  本文关键词：碳负载金属纳米材料的制备、表征及其催化性能研究

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【摘要】：纳米材料由于具有体相材料所没有的优异物理化学性能,使其在材料科学研究和器件应用中有着巨大的潜力,现已成为当今材料科学领域的研究热点。碳材料负载金属及其合金纳米复合材料因其特殊的结构和优异的性能,被广泛的应用于催化、电子器件、化学／生物传感等众多领域。金属纳米颗粒的尺寸和形貌等会直接影响到复合物在实际应用中的效能。但是,众多制备负载金属纳米材料复合物的方法都面临一定的挑战和困难。所以,如何制备尺寸可控均一、负载密度高、反应活性高、稳定性高且多组分比例可调的纳米复合物是该领域亟需解决的难题之据此,本论文开发了一种离子液体辅助溅射沉积制备碳负载金属纳米材料复合物的方法。利用此方法制备该类型复合物,不仅避免了制备过程中使用聚合物、表面活性剂等稳定剂及复合物不易分离等难题,而且还不用对石墨烯和碳纳米管等进行任何表面修饰或表面处理,最大限度的保持了其初始结构。此外,在此制备过程中,可以通过改变离子液体种类、溅射时间及溅射电流等有效地控制金属纳米颗粒的尺寸、形貌以及负载密度；同时,可以灵活的改变靶材的种类以及分散在离子液体中载体的种类来制备多种多样的纳米复合物。迄今为止我们已经合成出Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Ni等多种金属及其双金属纳米颗粒与石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、二氧化钛、二硫化钼、硅纳米线等多种载体组合的复合产物。本论文系统的研究了离子液体辅助溅射沉积方法合成碳材料负载金属纳米材料复合物在多种催化反应中的性能研究。具体工作包括以下几部分：1、制备出以石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管为载体负载的多种单金属纳米颗粒复合物,如Au, Ag, Pd, Pt, Cu等。并且通过改变制备过程中的实验条件对其颗粒尺寸、负载密度等进行有效的调控。然后通过高分辨X射线光电子能谱对复合物的电子结构进行分析,对碳载体负载金属纳米颗粒的机制有了一定的认识,并提出了咪唑环作为芳香环与碳载体和金属纳米颗粒同时作用以稳定金属纳米颗粒的作用机制。2、通过两步溅射沉积方法制备出了具有核壳结构的Au@Ag和Pd@Ag双金属纳米颗粒。此类双金属颗粒的催化活性要明显优于相应地单金属纳米颗粒,如催化活性远远低于Pd的Au纳米颗粒与没有催化活性的Ag形成双金属之后,其催化活性提高许多,已赶上Pd的催化活性。接下来通过同步辐射表征对此协同效应的机理进行了研究。3、通过两步溅射沉积方法制备出了石墨烯负载的AuPd合金纳米颗粒复合物。重点对该双金属纳米催化剂进行了研究,发现其在氧化反应和还原反应过程中,催化活性随金属比例变化的规律有所不同。通过同步辐射表征等手段对催化剂电子结构表征分析得知,金属在不同比例时其电子的转移情况会有所不同。而电子结构的差异和尺寸变化等因素共同造成了双金属催化剂比例变化对不同催化反应的催化活性的差异。本论文针对负载金属纳米催化剂领域的热点问题进行了一系列统的研究,包括新方法的开发,催化性能的研究以及从电子结构角度研究催化机理。在金属纳米颗粒的可控制备、双金属纳米颗粒的协同效应及同步辐射的电子结构表征方面取得了一定的成果,对该体系在形貌-结构-性能关系上有了更进一步的认识。
【关键词】：金属纳米颗粒 离子液体 溅射 催化 电子结构
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O613.71
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-46
• 1.1 引言14-15
• 1.2 金属纳米颗粒概述15-25
• 1.2.1 金属纳米颗粒的性质15-16
• 1.2.2 金属纳米颗粒的制备16-19
• 1.2.3 金属纳米颗粒的稳定19-25
• 1.3 碳材料负载金属纳米颗粒的研究现状25-34
• 1.3.1 碳材料负载纳米材料应用于燃料电池26-31
• 1.3.2 碳材料负载纳米材料应用于电子器件31-32
• 1.3.3 碳材料负载纳米材料应用于表面增强拉曼32-34
• 1.4 本课题的立项依据和主要研究内容34-35
• 1.4.1 选题的目的和意义34-35
• 1.4.2 研究内容35
• 参考文献35-46
• 第二章 实验设备和表征手段46-57
• 2.1 透射电子显微镜46-50
• 2.2 X射线光电子能谱50-52
• 2.3 X射线吸收精细结构分析52-55
• 2.4 X射线粉末衍射仪55-56
• 2.5 其他56
• 参考文献56-57
• 第三章 碳负载金属纳米颗粒的制备方法57-74
• 3.1 引言57
• 3.2 离子液体概述57-60
• 3.2.1 离子液体的定义57-58
• 3.2.2 离子液体的组成与种类58
• 3.2.3 离子液体的性质58-59
• 3.2.4 离子液体的合成方法59
• 3.2.5 离子液体的应用59-60
• 3.3 溅射法制备金属纳米颗粒60-67
• 3.3.1 溅射沉积方法60-61
• 3.3.2 离子液体辅助溅射法61-63
• 3.3.3 金属纳米颗粒的形成过程63-65
• 3.3.4 离子液体稳定金属纳米颗粒的机理65-67
• 3.4 溅射法制备碳负载金属纳米材料67-70
• 3.4.1 实验原料67
• 3.4.2 制备过程67
• 3.4.3 溅射法制备碳材料负载单金属纳米材料67-68
• 3.4.4 溅射法制备碳材料负载双金属纳米材料68-70
• 3.5 小结70-71
• 参考文献71-74
• 第四章 单金属纳米颗粒的表征及应用74-91
• 4.1 引言74
• 4.2 单金属纳米材料的制备74-75
• 4.2.1 实验试剂与仪器74-75
• 4.2.2 实验部分75
• 4.3 碳负载金纳米颗粒75-78
• 4.3.1 Au/氧化石墨烯75-77
• 4.3.2 Au/多壁碳纳米管77-78
• 4.4 碳负载钯纳米颗粒78-82
• 4.4.1 Pd/多壁碳纳米管78-81
• 4.4.2 Pd/石墨烯类碳81-82
• 4.5 碳负载PT纳米颗粒82-85
• 4.6 碳载体与金属纳米颗粒的作用机制研究85-88
• 4.7 小结88-89
• 参考文献89-91
• 第五章 核壳结构双金属纳米颗粒的表征及应用91-103
• 5.1 引言91
• 5.2 核壳结构双金属纳米材料的制备91-92
• 5.2.1 实验试剂与仪器91-92
• 5.2.2 实验部分92
• 5.3 核壳结构双金属纳米材料的表征结果与讨论92-97
• 5.3.1 形貌表征92-93
• 5.3.2 元素分布表征93-94
• 5.3.3 X射线衍射表征94-95
• 5.3.4 X射线吸收光谱研究95-96
• 5.3.5 X射线光电子能谱研究96-97
• 5.4 核壳双金属纳米颗粒的催化性能表征97-101
• 5.4.1 催化反应的过程97-98
• 5.4.2 单金属纳米颗粒催化剂98-99
• 5.4.3 金属纳米颗粒催化剂99-100
• 5.4.4 协同效应机理100-101
• 5.5 小结101
• 参考文献101-103
• 第六章 合金双金属纳米颗粒的表征及应用103-126
• 6.1 引言103
• 6.2 合金双金属纳米材料的制备103-104
• 6.2.1 实验试剂与仪器103-104
• 6.2.2 实验部分104
• 6.3 石墨烯负载PDAU金属纳米颗粒(两步法)的表征104-114
• 6.3.1 形貌表征104-106
• 6.3.2 元素表征106-107
• 6.3.3 紫外可见吸收光谱107-108
• 6.3.4 XRD表征108-109
• 6.3.5 催化活性表征109-112
• 6.3.6 电子结构表征112-114
• 6.4 PDAU金属纳米颗粒的同步辐射拟合分析114-121
• 6.5 小结121-122
• 参考文献122-126
• 第七章 全文总结与展望126-129
• 7.1 总结126-127
• 7.2 展望127-129
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的的论著、论文129-133
• 致谢133-135

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