交流电沉积自组装金铂合金枝状纳米线

摘要

人们提出了一种更为便捷、实用地制备纳米线的方法,即交流电沉积自组装纳米线的方法。交流电沉积自组装微米/纳米线的方法是直接从金属离子溶液中,通过交流电沉积自组装来制备纳米线,利用双向电泳的作用机理,形成密集、连续且高晶的纳米线。纳米线结构中以金属键连接,纳米线条的稳定性很高,线条更加细腻。克服了由纳米粒子直接组装形成的纳米线机械稳定性差的缺陷,利用电场的诱导组装的方法设计一些物理性能优良的新型结构材料,用此方法可以在芯片上制备导电连线、传感器、开关及网络。
　　 本文在10-40μm的金微电极之间,通过交流电沉积的方法制备了金铂合金枝状纳米线,应用扫描电镜(SEM)、X-射线能谱仪(EDX)和X-射线衍射仪(XRD)等测试方法表征了合金枝状纳米线的形貌、成分及物相结构,研究了电解液组成对合金形貌和成分的影响规律,并确立了最佳电解液组成,探索了交流电信号参数对合金形貌的影响规律,并将不同成分的枝状纳米线组装成传感器进行氢传感性能测试。通过研究获得的结论如下:
　　 (1)电解液中添加的成分直接影响到枝状纳米线形貌特征。当电解液中加入0.5 mol·dm-3 H3BO3,能够合成出粒径为100 nm左右的金铂合金枝状纳米线。因为硼酸之所以能影响着合金纳米线的形貌是因为它能调节电解液的pH值在2-3范围且能在沉积过程中对电解液起到稳定的作用,还有它能有效控制沉积自组装过程的速率。
　　 (2)在HAuCl4·4H2O、H2PtCl6·6H2O和H3BO3的混合电解液中,通过改变电解液的总浓度时,总浓度越低,合成的金铂合金枝状纳米线的粒径越小且量将越少;金属离子浓度比一定,通过改变电解液总浓度时,得到的金铂合金的成分几乎保持不变。研究表明制备金铂合金枝状纳米线的最佳电解液组成为0.2mmol·dm-3 HAuCl4·4H2O+1mmol·dm-3H2PtCl6·6H2O+0.5 mol·dm-3 H3BO3。
　　 (3)通过调节电解液中[AuCl4]-和[PtCl6]2-浓度比,在[AuCl4]-和[PtCl6]2-的比在5-80之间时,制得了铂的原子百分比为8-95 at.％的金铂合金枝状纳米线。且通过X-射线衍射对它们的相结构进行分析,结构表明Au和Pt两种金属是合金化的。同时,也制得了纯金跟纯铂枝状纳米线。
　　 (4)直接采用单频率交流电信号不能获得金铂合金枝状纳米线,为此,采用变频信号来电沉积金铂合金枝状纳米线,采用的最佳频率信号为:在起始频率300 Hz下沉积2 s,然后调节到1MHz下进行沉积。其中在低频时,金属离子的形核为枝状纳米线的生成提供了种子,而在高频时,因为受到电场力中双向电泳的作用,所以枝状纳米线沿着电场方向自组装重排。
　　 (5)交流电沉积时,电压是启动纳米线自组装的动力,电场强度的大小与交流电中双向电泳力成正比。在电极间距为10-40μm的金电极间,施加的电压所对应的电场强度在2.828×105-5.656×105V·m-1范围内才能有枝状纳米线的生成。电压值选择取决于电极的间距,电极间距越宽则施加的电压将越大,反之亦然。要使枝状纳米线成功的跨过两电极,其相应的沉积时间与电极的间距几乎成线性关系。
　　 (6)在微电极间的Pt及其合金枝状纳米线可成功组装成氢传感器。在室温条件下,在氢气体积分数为0.15-4.00％以内的任意浓度下,对不同成分的纳米线传感器进行氢传感性能测试。实验表明,纯铂纳米线传感器的灵敏度最高、响应时间最短及恢复最快。灵敏度最高可达86.67％,其响应时间最短可达3 s左右,且响应时间随浓度的升高而急剧降低。
　　 (7)H2与Pt及其合金纳米线的作用原理可用塔菲尔反应式(Tafel reaction)和沃尔默反应式(Volmer reaction)来解释,是表面化学吸附-分子转化为原子-电荷转移的过程。Pt及其合金与氢分子发生有效碰撞,促使氢分子转化为氢原子,随后电子的生成转移至纳米材料上,这一过程增强纳米线的导电性,从而使得传感器的输出电流会瞬间升高。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 纳米线的概述

1.1.1 纳米线的类型

1.1.2 纳米线的应用

1.2 金属纳米线的合成方法研究进展

1.2.1 模板法

1.2.2 自组装方法制备纳米线

1.2.3 交流电下自组装金属纳米线

1.3 金铂合金纳米材料的研究进展

1.4 氢传感器方面研究进展

1.5 本论文研究的意义与研究内容

1.5.1 研究的意义

1.5.2 主要研究内容

第2章 交流电沉积自组装纳米线的原理与方法

2.1 引言

2.2 交流电沉积的基本原理

2.2.1 交流电特点和参数

2.2.2 交流电的种类

2.2.3 交流电沉积自组装纳米线的理论背景

2.3 金微电极的制备

2.3.1 实验材料与仪器

2.3.2 金微电极的制备方法

2.4 Au-Pt合金枝状纳米线的制备与表征方法

2.4.1 实验药品与仪器

2.4.2 电解液的配制

2.4.3 Au-Pt合金枝状纳米线的表征方法

2.4.4 沉积自组装纳米线

2.5 本章小结

第3章 电解液对纳米线形貌及合金成分的影响

3.1 引言

3.2 电解液组成对金铂合金纳米线的形貌及成分的影响

3.2.1 电解液中添加剂对纳米线形貌的影响

3.2.2 电解液中不同总浓度对纳米线的形貌及成分的影响

3.2.3 溶液中金属离子浓度比对合金纳米线的形貌及成分的影响

3.2.4 不同成分的枝状纳米线的物相分析

3.3 本章小结

第4章 交流电沉积参数对纳米线形成的影响

4.1 引言

4.2 交流电频率及电压对金铂合金枝状纳米线的影响

4.2.1 交流电频率对金铂合金纳米线形貌及成分的影响

4.2.2 交流电压的影响

4.2.3 沉积时间的影响

4.3 纳米线沉积自组装机理

4.4 本章小结

第五章 金铂纳米线的氢传感性能

5.1 引言

5.2 传感实验材料仪器与检测方法

5.2.1 实验材料与仪器

5.2.2 传感器的检测方法

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 不同金铂组分的氢气传感器的灵敏度检测

5.3.2 纯Pt的枝状纳米线氢传感器在不同浓度氢气中的响应

5.3 纯铂及金铂合金纳米线的传感机理

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表和整理的论文

致谢