SiO/Pt核壳结构和Pt球壳纳米粒子有序阵列的制备及其谱学和电化学性质研究

摘要

纳米结构有序阵列具有许多不同于本体材料的特殊性质，得到材料、化学、物理、生物、工程等众多学科的广泛关注。铂族金属由于催化活性高、性能稳定被作为电催化剂广泛应用于能源转换、绿色合成等重要领域。研制铂族金属纳米结构有序阵列材料是纳米尺度电催化的热点课题之一。 本论文以SiO2胶体晶体为模板，利用直流磁控溅射制备核壳结构纳米粒子有序阵列，除去模板得到Pt纳米球壳有序阵列，运用SEM，AFM，XRD，紫外可见反射光谱，透射红外光谱，循环伏安(CV)等多种方法表征和研究两种纳米结构有序阵列的谱学和电化学性质。取得了以下主要结果： (1)发展了用旋转套膜法在Si片基底上制备SiO2胶体晶体的技术。以SiO2胶体晶体为模板，直流磁控溅射Pt，制备不同溅射时间τ的SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列；进一步用2wt％HF溶液溶解SiO2微球，制得Pt纳米球壳有序阵列。 (2)电化学研究首次观察到SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列电极在-0.21V(vs.SCE)给出第三个氢吸附峰，发现其对甲醇电催化氧化的性能优于本体Pt电极。以CO的吸附为探针反应，透射红外光谱结果给出，随着τ的增加，吸附态CO分子的红外谱峰特征从增强红外吸收演变为类Fano红外光谱，最后转变为正常红外吸收。 (3)与SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列的CV曲线不同，Pt纳米球壳有序阵列电极的CV中，在电位-0.21V不出现第三个氢的吸附峰，其CV曲线具有本体Pt电极的CV特征，证明第三个氢的吸附峰对应SiO2/Pt核壳结构纳米粒子的特殊性质。研究发现Pt纳米球壳有序阵列电极对甲醇的电催化氧化性能也优于本体Pt电极。与SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列外红外性质不同的是，随τ的增加，吸附态CO的透射红外谱峰特征从类Fano红外光谱转变为正常的红外吸收。 (4)以SiO2胶体晶体为模板，循环伏安电沉积Pt薄膜，制备了孔状有序结构Pt纳米薄膜。结果表明，孔状有序结构Pt纳米薄膜具有良好的电化学性质，对甲醇电催化氧化的性能优于本体Pt电极。 本文的研究结果对研制纳米结构有序阵列电极拓展其在电催化中的应用有重要意义，同时有助于进一步认识低维纳米材料特殊红外光学性能的本质。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1纳米材料简介

1.1.1纳米材料的基本概念,发展概况以及特殊性能

1.1.2纳米材料的制备

1.1.3纳米材料科学中的谱学研究

1.2光子晶体简介

1.2.1光子晶体的基本概念与发展

1.2.2光子晶体的结构与特征

1.2.3光子晶体的应用

1.2.4光子晶体的制作

1.2.5胶体晶体及其制备方法

1.2.6胶体晶体的性质和应用

1.3CO为探针分子的谱学研究

1.4本论文的研究目的与设想

参考文献

第二章实验

2.1试剂

2.2Si片预处理

2.3实验仪器

2.3.1旋转套膜仪（spin-coater）

2.3.2JS-3x-100B磁控溅射台

2.3.3原子力显微镜(AFM)

2.3.4透射电子显微镜(TEM)

2.3.5扫描电子显微镜(SEM)

2.3.6X射线衍射(XRD)

2.4光谱实验仪器

2.4.1紫外可见光谱

2.4.2红外透射光谱

2.5电化学实验

参考文献

第三章有序SiO2胶体晶体的组装及其性质表征

3.1二氧化硅(SiO2)微粒的制备及其表征

3.1.1二氧化硅(SiO2)微粒的制备

3.1.2二氧化硅(SiO2)微粒的TEM表征

3.2二氧化硅(SiO2)胶体晶体的制备及其表征

3.2.1二氧化硅(SiO2)胶体晶体的制备

3.2.2二氧化硅(SiO2)胶体晶体的SEM和AFM表征

3.3二氧化硅(SiO2)胶体晶体的紫外可见反射光谱

3.4SiO2胶体晶体的显微镜光学性质表征

3.5本章小结

参考文献

第四章SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列的制备及其性能

4.1SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列的制备以及表征

4.2SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列的XRD表征

4.3SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列的光谱性质研究

4.3.1紫外可见反射光谱研究结果

4.3.2透射红外光谱研究结果

4.4SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列的电化学性质研究

4.5SiO2/Pt核壳结构纳米粒子有序阵列对甲醇催化氧化的循环伏安研究

4.6本章小结

参考文献

第五章Pt纳米球壳有序阵列的制备及性能

5.1Pt纳米球壳有序阵列的制备及其表征

5.2Pt纳米球壳有序阵列的验证方法

5.3Pt纳米球壳有序阵列的光谱性质

5.3.1紫外可见反射光谱研究结果

5.3.2透射红外光谱研究结果

5.4Pt纳米球壳有序阵列的电化学性质

5.5Pt纳米球壳有序阵列对甲醇电催化氧化性能的循环伏安研究

5.6本章小结

参考文献

第六章孔状有序结构Pt纳米薄膜的制备及其电化学性能

6.1孔状有序结构Pt纳米薄膜的制备方法

6.2孔状有序结构Pt纳米薄膜的SEM和EDS表征

6.3孔状有序结构Pt纳米薄膜中沉积Pt厚度的初步估算

6.4孔状有序结构Pt纳米薄膜XRD表征

6.5孔状有序结构Pt纳米薄膜的电化学循环伏安特性

6.6孔状有序结构Pt纳米薄膜对甲醇催化氧化性能循环伏安研究

6.7本章小结

参考文献

结论

作者攻读硕士期间发表与交流的论文

致谢