钯金纳米材料的简单可控合成及其催化性能研究

摘要

近年来，贵金属纳米材料（如Au、Ag、Pt和Pd）在传感、催化、能源储存、生物医学诊断和治疗等领域均得到了广泛的应用，受到越来越多研究者的关注与探索。贵金属纳米晶体的性质主要取决于相关的物理参数（如组成、尺寸、形状、表面形貌以及结构）。因此可以通过调节这些参数从而有效地调节提高纳米晶体的性能。随着越来越多的科学家致力于贵金属纳米晶体的研究，在贵金属纳米性质的可控导向合成方面取得了一定的进展。
　　本文采用简单快速的湿化学法调控合成了三种Pd基合金纳米材料催化剂，详细研究了它们的形貌、组成、结构特征，并深入探究了Pd基纳米材料的生长机理及其电化学催化活性和稳定性。具体研究内容包括以下几个部分:
　　(1)链状PdNiRu纳米晶的合成及其电催化性能研究
　　采用一锅法简单方便合成PdNiRu合金链状纳米晶(PdNiRu NCNs)，这个过程中用KBH4作为还原剂，没有任何特定添加剂（如表面活性剂、聚合物、模板或种子）。采用透射电子显微镜(TEM)，X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等一系列技术对其结构进行了表征。以氢气泡为动态软膜板，通过定向生长和扩散受限沉积形成多级微纳结构。PdNiRu NCNs的特殊结构比PdNi纳米粒子(NPs，65.23m2g-1Pd)，PdRu NPs(23.12m2g-1Pd)，NiRu NPs（几乎为零）和商业Pd黑(6.01m2g-1Pd)相比具有较大的电化学活性面积(ECSA，84.32m2g-1Pd)。该材料对肼氧化反应(HOR)具有优异的催化特性。该合成路线为燃料电池制备其他三金属纳米催化剂的提供了新的方法。
　　(2)枝状AuPd纳米晶的合成及其电催化性能研究
　　采用茶碱作为结构导向剂，通过一锅还原法制备了自支撑合金AuPd枝状纳米晶(AuPd NCNs)。采用TEM，XRD和XPS等一系列技术对材料进行了表征。采用循环伏安法和计时电流法探究AuPd NCNs催化甲酸氧化反应(FAOR)性能，实验结果表明AuPd NCNs催化活性优于商业Pd黑催化剂，且抗CO中毒能力明显强。
　　(3)PtPd纳米片自组装网状结构的合成及其电催化性能研究
　　在室温下以L-谷氨酸为形貌导向剂和弱稳定剂，通过绿色一锅湿化学法合成双金属铂钯纳米片自组装形成合金网状结构（PtPd SAANs）。该方法反应条件温和、无晶种、且不含任何添加剂和有毒的有机溶剂。采用一系列的对材料形貌结构进行了表征，并详细探讨了其形成机理。所制备的材料与商业Pt黑和Pd黑催化剂相比对甲醇氧化反应(MOR)和氧气还原反应(ORR)具有优异的电催化特性。这主要归因于PtPd SAANs的独特结构以及它们双金属之间的协同效应。这些结果表明所制备的催化剂在燃料电池中具有的潜在应用价值。

目录

摘要

第一章绪论

1．1直接燃料电池和氧还原反应

1．1．1直接水合肼燃料电池

1．1．2直接甲酸燃料电池

1．1．3直接醇类燃料电池

1．1．4氧气的催化还原及催化剂

1．2纳米材料简介

1．2．1纳米材料的概念

1．2．2纳米材料的基本效应

1．3纳米材料的合成方法

1．3．1电化学沉积法

1．3．2水(溶剂)热法

1．3．3化学还原法

1．3．4模板法

1．4本文的选题背景及主要研究内容

第二章氢气辅助一锅湿化学法合成链状PdNiRu纳米晶及其电催化性能研究

2．1引言

2．2实验

2．2．1化学试剂

2．2．2 PdNiRu NCNs的制备

2．2．3物理表征

2．2．4电化学测试

2．3结果与讨论

2．3．1表征

2．3．2 PdNiRu NCNs的形成机理

2．3．3 PdNiRu NCNs的电催化性能

2．4结论

第三章简单一锅法合成网状AuPd纳米晶及其电催化性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1化学试剂

3．2．2 AuPd NCNs的合成

3．2．3物理表征

3．2．4电化学测试

3．3结果与讨论

3．3．1表征

3．3．2 AuPd NCNs的形成机制

3．3．3电化学性能

3．4结论

第四章L-谷氨酸辅助一锅湿化学法合成铂-钯纳米片自组装网状结构及其电催化性能研究

4．1引言

4．2实验

4．2．1化学试剂

4．2．2 PtPd SAANs的合成

4．2．3物理表征

4．2．4电化学测试

4．3结果与讨论

4．3．1表征

4．3．2 PtPd SAANs的形成机制

4．3．3电催化测量

4．4结论

第五章结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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