納米多孔金屬薄膜的制備與電催化性能.pdf

1、近年來，納米多孔金屬因為其獨特的結構、性能成為了納米材料家族中的重要一員，并在電子、光學、催化工業(yè)中得到了廣泛的應用。進一步優(yōu)化、發(fā)展這類材料的制備方法，研究它們的結構、性能，拓展它們的應用對納米材料科學及工業(yè)應用都具有重要意義。由于工業(yè)界對新型能源材料，如高效率的燃料電池催化劑的迫切需求，本論文致力于制備超低金屬載量的納米多孔Au、Pt/Au、Pd/Au薄膜，并研究它們的結構與電催化性能，探索它們在電化學傳感及燃料電池等領域的應用前景

2、。主要結果如下：
　　 1.以Au/Ag合金薄膜為前軀體，通過在濃硝酸中腐蝕溶解掉Ag，成功制備了納米多孔Au(NP-Au)薄膜。制備的NP-Au薄膜的厚度約為100 nm，其金屬載量約為0.1 mg/cm2。以NP-Au為基底，制備了納米多孔的Pt/Au(NP-Pt/Au)薄膜，我們采用化學鍍和欠電位沉積加置換的方法分別在NP-Au表面均勻地修飾上Pt原子層，通過控制反應條件，其厚度可以從次原子層到數(shù)個原子層內(nèi)得到精確調(diào)控。成

3、分分析表明該薄膜的Pt載量從1到25μg/cm2間得到精確調(diào)控。運用掃描電子顯微鏡(SEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)研究了NP-Au和NP-Pt/Au薄膜的結構，發(fā)現(xiàn)它們具有三維雙連續(xù)的海綿狀結構，使大量活性原子暴露在表面。研究了不同化學環(huán)境下Pt在NP-Au表面的生長過程，HR-TEM、電化學的結果表明Pt在NP-Au表面以島狀的方式生長。利用循環(huán)伏安法(CV)研究了這些納米多孔金屬薄膜的基本電化學行為，并探索了NP-A

4、u對NO2-氧化的電催化性能，發(fā)現(xiàn)其對該反應具有高靈敏的響應。計時電流的研究表明NO2-在NP-Au電極上從1μM到1 mM都具有良好的線性關系，表明NP-Au薄膜可能在電化學傳感方面得到應用。
　　 2.系統(tǒng)研究了NP-Pt/Au薄膜對甲醇、甲酸的電氧化，氧還原等重要電化學反應的催化性能，并以該薄膜為催化劑進行了質(zhì)子交換膜燃料電池測試。以NP-Pt/Au薄膜為陽極催化劑，利用CV等方法評估了不同Pt載量的NP-Pt/Au薄膜的

5、電催化活性，發(fā)現(xiàn)高Pt載量的NP-Pt/Au薄膜的催化特性與商業(yè)Pt/C相似，但具有更高的本征活性，低Pt載量的NP-Pt/Au薄膜則表現(xiàn)出比Pt/C更高的質(zhì)量比催化活性。利用SEM、HR-TEM、X射線光電子能譜(XPS)、電化學CO掃除等表面科學手段研究了該薄膜的表面結構、性能，分析了其高催化活性的起因。將該薄膜作為陽極催化劑，進行了H2/空氣，直接甲醇、甲酸燃料電池測試，探索了其理想的工作條件參數(shù)，探討了其工業(yè)應用的可能。

6、　　 3.探索了NP-Pt/Au薄膜的結構穩(wěn)定性，尤其是其在低溫加熱時的結構、性能的演化。將具有不同Pt載量的NP-Pt/Au薄膜在100到400℃之間加熱不同時間，并利用SEM、HR-TEM、XPS和電化學技術研究了其結構的演化及表面原子的化學狀態(tài)，探討了溫度等因素對其結構的影響。結果表明NP-Pt/Au薄膜在300℃仍能保持其原有的納米多孔結構，但其表面的Pt納米粒子與Au襯底之間發(fā)生了相互擴散并形成了表面合金薄層，使得其表面原子

7、的排列和化學狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變。討論了結構演化對其催化性能的影響，電化學測試顯示發(fā)生表面Pt原子重排的NP-Pt/Au薄膜對甲酸電氧化具有更高的催化活性。
　　 4.制備了納米多孔Pd/Au(NP-Pd/Au)薄膜。通過發(fā)展、優(yōu)化NP-Pt/Au的制備工藝，成功在將Pd沉積到NP-Au表面。XPS結果顯示其表面Pd為金屬態(tài)，HR-TEM研究表明Pd原子層在NP-Au表面為層狀模式的外延生長，從而形成了連續(xù)核殼結構的NP-Pd/