貴金屬納米粒子-碳納米管納米復(fù)合物的制備及其電催化應(yīng)用.pdf

1、貴金屬納米粒子/碳納米管納米復(fù)合物結(jié)合了貴金屬納米粒子和碳納米管的優(yōu)點(diǎn),是一種非常有前途的功能材料,廣泛應(yīng)用于電催化、多相催化和化學(xué)/生物傳感等方面,特別是在燃料電池電催化劑方面具有潛在應(yīng)用前景。由于貴金屬(Pt、Pd、Ru等)資源匱乏,價(jià)格昂貴,為了降低成本和進(jìn)一步提高燃料電池電催化劑的性能,人們希望在碳納米管表面獲得具有高分散性和小粒徑的貴金屬納米粒子。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),通常要對碳納米管表面進(jìn)行功能化處理。但在碳納米管表面功能化過程

2、中存在如何在碳納米管表面引入功能基團(tuán)的同時(shí)保持碳納米管原有物化性質(zhì)的問題。發(fā)展有效的碳納米管表面功能化方法以制備具有高電催化性能的貴金屬納米粒子/碳納米管納米復(fù)合物仍是亟待解決的課題。
　　 為了解決貴金屬納米粒子/碳納米管納米復(fù)合物制備過程中存在的上述問題,本論文發(fā)展了數(shù)種碳納米管表面功能化方法,并以功能化碳納米管為載體實(shí)現(xiàn)了貴金屬納米粒子在碳納米管表面的高分散性和小粒徑,系統(tǒng)研究了所制備的貴金屬納米粒子/碳納米管納米復(fù)合物對

3、甲醇、乙醇、甲酸的電催化氧化性能。研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)采用3,4,9,10-苝四酸(PTCA)對碳納米管表面進(jìn)行修飾制備了PTCA功能化碳納米管(CNTs-PTCA),以其為載體在碳納米管表面成功地負(fù)載了具有高分散性和小粒徑的PtRu納米粒子并應(yīng)用于甲醇的電催化氧化。對所制備的CNTs-PTCA復(fù)合物進(jìn)行了紅外光譜和拉曼光譜研究,并采用透射電子顯微鏡(TEM)和循環(huán)伏安法考察了所制備的PtRu/CNTs—

4、PTCA催化劑的表面形貌及其對甲醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明:CNTs表面PTCA功能化過程不會破壞CNTs的結(jié)構(gòu),平均粒徑為2.8±0.5nm的PtRu納米粒子均勻地分散在CNTs-PTCA表面。和基于酸氧化處理的碳納米管制備的PtRu/CNTs—AO催化劑相比,PtRu/CNTs-PTCA催化劑對甲醇的電催化氧化具有更好的電催化活性及長期循環(huán)穩(wěn)定性。
　　 (2)利用殼聚糖對碳納米管表面進(jìn)行修飾制備了殼聚糖功能化碳納米管(C

5、NTs-Chit),以其為載體成功地將小粒徑的PtRu納米粒子均勻地負(fù)載于碳納米管表面并應(yīng)用于甲醇的電催化氧化。對制得的CNTs-Chit復(fù)合物進(jìn)行了熱重分析,通過TEM考察了所制備的PtRu/CNTs-Chit催化劑的表面形貌,并采用循環(huán)伏安法在酸性電解質(zhì)中研究其對甲醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明:平均粒徑為3.3±0.5nm的PtRu納米粒子均勻地分散在CNTs-Chit表面,與基于未經(jīng)處理的碳納米管制備的PtRu/CNTs催化劑相比

6、,PtRu/CNTs-Chit催化劑對甲醇的電催化氧化具有更好的電催化活性及長期循環(huán)穩(wěn)定性。
　　 (3)通過在碳納米管表面熱引發(fā)自由基聚合1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽([VEIM]BF4)離子液體,制備了離子液體聚合物功能化碳納米管(CNTs-PIL),以其為載體在碳納米管表面成功地負(fù)載了具有高分散性和小粒徑的Pt和PtRu納米粒子并應(yīng)用于甲醇的電催化氧化。對制得的CNTs-PIL復(fù)合物進(jìn)行了熱重和拉曼光譜分析,通過TE

7、M考察了所制備的Pt/CNTs-PIL和PtRu/CNTs-PIL催化劑的表面形貌,并采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法在酸性電解質(zhì)中研究其對甲醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明:碳納米管表面離子液體聚合物功能化過程不會破壞碳納米管結(jié)構(gòu),小粒徑的Pt(平均粒徑1.9±0.5nm)和PtRu(平均粒徑1.3±0.4nm)納米粒子高度分散在CNTs-PIL表面:與基于未經(jīng)處理的碳納米管制備的Pt/CNTs和PtRu/CNTs催化劑相比,Pt/CNTs-P

8、IL和PtRu/CNTs-PIL催化劑對甲醇的電催化氧化具有更好性能。
　　 (4)采用高溫碳化咪唑離子液體聚合物功能化碳納米管制備了表面修飾有摻氮碳層(CNx)的碳納米管(CNx@CNTs),以其為載體負(fù)載了具有高分散性和小粒徑的PtRu納米粒子并應(yīng)用于甲醇的電催化氧化。對制得的CNx@CNTs復(fù)合物進(jìn)行了TEM、拉曼光譜和元素分析,通過TEM考察了所制備的PtRu/CNx@CNTs催化劑的表面形貌,并采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流

9、法在酸性電解質(zhì)中研究其對甲醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明:CNx@CNTs表面均勻地覆蓋有一層厚度約為1.5nm的CNx,其氮含量為0.35wt.％,且制備過程不會破壞碳納米管結(jié)構(gòu)；平均粒徑為1.9±0.5nm的PtRu納米粒子均勻地分散在CNx@CNTs表面；與基于酸氧化處理的碳納米管制備的PtRu/CNTs-AO催化劑相比,PtRu/CNx@CNTs催化劑對甲醇的電催化氧化具有更好的電催化活性及長期循環(huán)穩(wěn)定性。
　　 (5)采

10、用離子液體聚合物功能化碳納米管(CNTs-PIL)為載體成功地在碳納米管表面負(fù)載了具有高分散性和小粒徑的PtSn納米粒子并應(yīng)用于乙醇的電催化氧化。采用TEM和電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)等方法對制得的PtSn/CNTs-PIL催化劑的表面形貌及元素組成進(jìn)行了表征,并采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法研究其對乙醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明:與基于未經(jīng)處理的碳納米管制備的PtSn/CNTs催化劑相比,PtSn/CNTs-PIL催化劑對

11、乙醇的電催化氧化具有更好性能。
　　 (6)采用離子液體聚合物功能化碳納米管(CNTs-PIL)為載體成功地在碳納米管表面負(fù)載了具有高分散性和小粒徑的PtPd納米粒子并應(yīng)用于甲酸的電催化氧化。采用TEM和電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP—AES)等方法對制得的PtPd/CNTs-PIL催化劑的表面形貌及元素組成進(jìn)行了表征,并采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法研究其對甲酸的電催化氧化性能。結(jié)果表明:與基于未經(jīng)處理的碳納米管制備的PtPd/