負(fù)載型鈦基納米氧化物的制備及電催化性質(zhì)研究.pdf

1、納米材料由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景受到各個領(lǐng)域研究者的關(guān)注。在電化學(xué)方面,將納米材料作為催化劑也是發(fā)展趨勢之一。納米材料尺寸小,比表面積大,從而增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。其表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與材料內(nèi)部不同,表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加,使催化活性大大提高。本論文以此為契機(jī),制備Ti基BaTiO3納米顆粒、Na2Ti3O7納米線、Ti基TiO2納米棒陣列,分析其合成機(jī)理、結(jié)構(gòu)和形貌,并將它們作為貴金屬(Ag、Pt)

2、納米結(jié)構(gòu)沉積的襯底,研究負(fù)載后的結(jié)構(gòu)、形貌及對H2O2、甲醇及乙醇的電催化活性,探索它們在電化學(xué)傳感器、燃料電池催化劑體系等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。全文的具體內(nèi)容如下:
　　 1)采用復(fù)合堿媒介法直接在Ti片上制備出了BaTiO3納米顆粒,形成了BaTiO3/Ti結(jié)構(gòu)。生長的BaTiO3納米顆粒為立方結(jié)構(gòu),結(jié)晶度高,成分純凈。且隨著生長時間的增加,顆粒尺寸逐漸增大。以該BaTiO3/Ti結(jié)構(gòu)為襯底,采用電化學(xué)沉積法沉積Pt納米結(jié)構(gòu)。FE

3、SEM、EDS測試表明,得到的Pt納米結(jié)構(gòu)呈花狀,在48小時樣品上分布密集,有層次感,而在96小時樣品上分布稀少,呈團(tuán)聚形;樣品的元素為Pt、Ti、Ba和O。在交流阻抗和對H2O2的催化檢測實(shí)驗(yàn)中,48小時Pt/BaTiO3/Ti電極表現(xiàn)出更好的導(dǎo)電性和對H2O2更靈敏的檢測性:對0.1 mMH2O2的響應(yīng)電流約為116μAcm-2,響應(yīng)時間約為4秒;在5.0×10-7～1.1×10-3 M范圍內(nèi),H2O2的濃度和響應(yīng)電流存在線性關(guān)系(

4、相關(guān)系數(shù)R2=0.999),檢測限為3.0×10-7M。48小時Pt/BaTiO3/Ti電極在對甲醇、乙醇的催化氧化實(shí)驗(yàn)中,循環(huán)伏安和線性掃描伏安的結(jié)果顯示,48小時Pt/BaTiO3/Ti電極由于具有更大的有效面積,表現(xiàn)出更高的催化活性:在酸性溶液中對甲醇的起始氧化電位和氧化峰電流為0.12 V,14.95 mA cm.2,對乙醇的起始氧化電位和氧化峰電流為0.13 V,5.05 mAcm-2;而該電極在堿性溶液中對甲醇的起始氧化電位

5、和氧化峰電流為-0.6 V,38.80mAcm-2,對乙醇的起始氧化電位和氧化峰電流為-0.6 V,26.05 mA cm-2。(第二章)2)通過水熱法合成了Na2Ti3O7納米線,以Na2Ti3O7納米線為載體,在低溫下將Ag納米顆粒沉積在Na2Ti3O7納米線上,得到了Ag/NNa2Ti3O7納米線。FESEM、TEM、EDS表征表明尺寸大小為10 nm的Ag納米顆粒均勻地吸附在Na2Ti3O7納米線上;檢測樣品的元素為Ag、Na、

6、O、Ti。通過循環(huán)伏安法和電流—時間曲線法,考察Ag-Na2Ti3O7/G電極,石墨電極和Na2Ti3O7/G電極對H2O2的催化檢測特性。研究發(fā)現(xiàn),與石墨電極、Na2Ti3O7/G電極相比,Ag-Na2Ti3O7/G電極表現(xiàn)出較高的響應(yīng)靈敏度和較快的響應(yīng)速度:在50μM～2.5 mM的范圍內(nèi),H2O2濃度與響應(yīng)電流存在線性關(guān)系(R2=0.997),響應(yīng)靈敏度為48.74μA mM cm-2,響應(yīng)時間為3 s。(第三章)3)以Na2Ti

7、3O7納米線為載體,通過熱分解法將Pt納米顆粒沉積在Na2Ti3O7納米線上,得到了Pt/Na2Ti3O7納米線。FESEM、EDS、TEM表征顯示尺寸大小為5 nm的Pt納米顆粒均勻地吸附在Na2Ti3O7納米線上;樣品含有的元素為Pt、Na、O、Ti,其中的Si來自于襯底。采用交流阻抗、循環(huán)伏安法、電流一時間曲線法來研究Pt/Na2Ti3O7電極對甲醇、乙醇的催化氧化特性。并將常用的Pt/C電極與Pt/Na2Ti3O7電極進(jìn)行比較。

8、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使是相同的Pt沉積量,Pt/Na2Ti3O7電極由于具有較大的活性面積,在酸性和堿性溶液中的催化作用都要高于Pt/C電極。(第四章)4)用一種簡單環(huán)保的方法在Ti片上直接合成了TiO2納米棒陣列。通過調(diào)節(jié)合成溫度、時間及反應(yīng)溶液濃度,可以控制TiO2納米棒的直徑大小、長度以及納米棒的定向性。對TiO2納米棒的生長機(jī)理進(jìn)行了簡單分析。其反射光譜表明該材料能隙為3.26 eV。采用交流阻抗和電流—時間曲線法測試TiO2納米棒陣列電

9、極的光電性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,TiO2納米棒高的比表面積和高定向性有助于電極表面的電荷傳輸,產(chǎn)生更大的光電流響應(yīng);對光照響應(yīng)迅速且穩(wěn)定性好;在2.5 mW cm-2～10 mW cm-2的紫外光強(qiáng)度范圍內(nèi),紫外光強(qiáng)與響應(yīng)光電流存在線性關(guān)系。(第五章)5)以TiO2納米棒陣列為襯底,采用熱分解法將Pt沉積在TiO2納米棒上,形成了Pt/TiO2/Ti復(fù)合結(jié)構(gòu)。FESEM和EDS表征表明光滑的TiO2納米棒表面均勻吸附了3 nm大小的Pt納米

10、顆粒;樣品包含元素為Pt、Ti、O。使用交流阻抗、循環(huán)伏安法、電流—時間曲線法來研究Pt/TiO2/Ti納米棒陣列電極對乙醇在不同溶液中的催化氧化特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Pt納米顆粒能夠有效地沉積在TiO2納米棒陣列上,故Pt/TiO2/Ti納米棒陣列電極具有更大的電化學(xué)活性面積;且在相同的電化學(xué)活性面積下,Pt/TiO2/Ti納米棒陣列電極由于Pt與TiO2的協(xié)同作用,比Pt/C,Pt/Ti電極有著更高的催化活性和更好的穩(wěn)定性:在酸性溶液中對