新型Au-SiO2复合SERS基底探究及Pd-Au/GC催化材料的研究

摘要

作为金属溶胶纳米粒子之一的金纳米粒子拥有着极为特殊的物理化学性质如光学特性，电化学特性以及优异的催化活性等。它是众多科研领域至关重要的基础材料，可以广泛应用到光电科学，分析科学，生物医学以及催化科学等领域，因此历来备受科学家们的关注。其涉及到的表面增强拉曼光谱(SERS)是一种高效的光谱检测技术。该技术的实际应用取决于SERS活性基底的有效制备。目前制备SERS活性基底的方法众多，但是普遍上存在制作成本高，操作步骤繁琐耗时的缺点。另一方面，甲醇燃料电池中，电池效率由于受到反应动力学的约束，因而常采用催化剂来改善这一问题。传统的Pt类催化剂虽然催化性能较好，但是资源匮乏，所需成本高，寻求基于Pt以外的催化剂变得尤为关键。因此，本文以金溶胶为基础原料用极为简洁的方法制备出SERS基底，此外，还基于金溶胶合成出了Pd-Au/GC催化剂材料，并应用到甲醇的催化氧化过程中。论文的主要研究内容和研究成果总结如下:
　　(1)采用经典的Frens方法和改性Stober方法分别合成了55 nm的金溶胶和60 nm的二氧化硅溶胶。金纳米粒子浓缩后分别和不同量的一定浓度二氧化硅粒子物理超声混合得到复合溶胶纳米粒子，将复合粒子滴加至玻碳电极真空干燥后得到了物理吸附于玻碳电极表面的Au-SiO2复合基底。
　　(2)SERS方法表征制备出的系列不同粒子个数比的Au-SiO2的复合基底材料。结果表明一定粒子个数比(N(Au)∶N(SiO2)=10∶3.5)时的复合基底呈现出比纯金溶胶强约2倍的拉曼响应，而其它比例复合基底的SERS信号基本和纯金溶胶相当。适量二氧化硅的加入使得SERS基底性能得到了显著改善，这使得SERS基底制备过程中可以节省部分贵金属材料，降低制作成本。
　　(3)先将55 nm金纳米颗粒物理吸附于玻碳电极(GC)得到Au/GC，后采用恒电流电沉积的方法在Au/GC表面沉积上不同厚度的钯层（从亚单层过度到多层）得到系列Pd-Au/GC材料。由此可控得到了不同厚度的较均匀钯镀层。
　　(4)在碱性甲醇溶液中测试不同钯层厚度的Pd-Au/GC材料的催化性能。当Pd层厚度为十个单层(10 ML)时，Pd-Au/GC催化氧化甲醇的峰电流密度最大，为6.94 mA·cm-2，其催化活性最高。且随着钯层厚度的增加，Pd-Au/GC材料由易于被中间产物毒化的低效能催化剂逐步过渡为抗中间产物毒化能力较强的高效能甲醇催化剂，这为直接甲醇燃料电池提供了又一新型催化剂。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 纳米材料

1．1．1 纳米材料简介

1．1．2 纳米材料的特性

1．2 纳米复合材料

1．3 拉曼光谱

1．3．1 表面增强拉曼光谱

1．3．2 表面增强拉曼光谱增强机理

1．3．3 表面增强拉曼光谱基底

1．3．4 表面增强拉曼光谱的应用

1．4 直接甲醇燃料电池(DMFC)

1．4．1 甲醇燃料电池的基本原理

1．4．2 甲醇燃料电池电极材料

1．5 本论文构想

第2章 新型Au-SiO2复合SERS基底探究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 纳米粒子的UV-vis吸收光谱表征

2．3．2 纳米粒子的SEM表征

2．3．3 金溶胶加量的选择

2．3．4 柠檬酸钠加量的选择

2．3．5 二氧化硅纳米粒子处理

2．3．6 复合基底的SERS表征

2．4 结论

第3章 Pd-Au／GC催化材料的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 Pd-Au／GC催化材料的制备

3．3．2 Pd-Au／GC催化材料的循环伏安表征

3．3．3 不同Pd-Au／GC材料对甲醇电化学氧化的催化作用

3．3．4 不同Pd-Au／GC催化材料对甲醇电化学氧化的催化稳定性

3．4 结论

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢