Au/Fe3O4纳米颗料及Pt/Au/Fe3O4催化剂的制备与表征

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)是燃料电池的一种，由于甲醇来源广泛、清洁高效、价格便宜，电池结构简单、能量密度高等特点，具有广泛的应用前景和商业价值，成为世界各国争相研究的焦点。但直接甲醇燃料电池的电催化剂活性不够高且容易失活，现阶段主要以Pt用作直接甲醇燃料电池电催化剂，其优点是具有较高的电催化活性和电化学稳定性，缺点是容易被甲醇氧化中间产物CO等毒化从而失去催化能力，而且价格昂贵。因此，寻找高催化活性和良好抗CO毒化作用的电催化剂是开发利用直接甲醇燃料电池的关键问题之一。现阶段研究较多的是Pt基复合型催化剂，将贵金属Pt与其它一种或多种金属或金属氧化物复合制备抗CO毒化作用良好的Pt基复合材料电催化剂是科研人员研究的热点。本文以Fe3O4纳米颗粒作为载体，采用不同催化剂如柠檬酸钠、抗坏血酸、THPC等制备Au/Fe3O4纳米复合材料，并设定不同影响因素采用UV-vis、XRD、EDS、TEM等表征手段对所得产物进行表征。再采用NaBH4作为还原剂将贵金属Pt负载在Au/Fe3O4纳米颗粒上形成二元Pt基复合材料Pt/Au/Fe3O4，所得产物分别采用UV-vis、XRD、XPS、EDS、TEM等进行表征，采用循环伏安法对其进行电化学表征。得出以下结论:
　　 (1)采用直接还原法，以柠檬酸钠作为还原剂时，柠檬酸钠在反应中即起到Fe3O4以及Au稳定剂的作用，又是还原剂。当添加的柠檬酸钠浓度为0.1M时，仅有少量Au纳米颗粒负载到Fe3O4纳米颗粒表面，其余都以金溶胶的形式存在;当添加的柠檬酸钠浓度为0.0024M时，负载到Fe3O4纳米颗粒表面的Au纳米颗粒明显增多。
　　 (2)采用直接还原法，以抗坏血酸作为还原剂时，抗坏血酸起到还原HAuCl4的作用，由于抗坏血酸结构中的羟基能吸附到Fe3O4纳米颗粒表面，对HAuCl4的还原反应在Fe3O4纳米颗粒表面进行，且当Fe3O4与HAuCl4的加入摩尔比为1∶2.3时，产物Au/Fe3O4纳米颗粒形貌较好。
　　 (3)采用直接还原法，以四羟甲基氯化磷(THPC)作为还原剂时，THPC可以还原HAuCl4形成带负电荷的THPC-Au纳米颗粒，并在库仑引力的作用下与带正电荷的Fe3O4纳米颗粒生成Au/Fe3O4纳米颗粒，当溶液pH越低时，THPC-Au纳米颗粒在Fe3O4纳米颗粒上的负载量越多，当pH达到2.7时，溶液中Au纳米颗粒基本负载到Fe3O4上。
　　 (4)以THPC和抗坏血酸共同作为还原剂时，采用种子沉淀法，首先THPC对HAuCl4进行还原生成少量带负电荷的THPC-Au纳米颗粒，并在库仑引力的作用下与Fe3O4纳米颗粒生成Au/Fe3O4颗粒，当抗坏血酸加入时，对溶液中多余的HAuCl4进行还原生成在Au/Fe3O4颗粒表面。
　　 (5)在Pt/Au/Fe3O4纳米颗粒中，Au与Pt分别均匀地沉积到了Fe3O4表面。对纳米Pt/Au/Fe3O4复合材料进行循环伏安扫描，当Pt与Au含量摩尔比为2:1时，Pt/Au/Fe3O4作为催化剂催化甲醇活性最佳;正扫描电流峰ip与扫描速率的平方根v1/2线性相关，样品Pt/Au/Fe3O4催化氧化甲醇的过程受扩散控制;对样品进行201次循环伏安扫描，样品仍然能保持较好的催化性能且化学稳定性良好。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 DMFC电池概述

1．2．1 DMFC基本结构

1．2．2 DMFC电极反应

1．2．3 DMFC发展现状

1．2．4 DMFC电催化剂

1．2．5 DMFC电催化剂表征方法

1．3 纳米复合材料概述

1．3．1 纳米复合材料分类

1．3．2 核壳结构纳米复合材料形成机理

1．3．3 核壳结构纳米复合材料表征方法

1．3．4 核壳结构纳米复合材料制备方法

1．4 本课题研究意义及内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 实验

2．1 实验所用试剂

2．2 实验仪器

2．2．1 实验所用仪器

2．2．2 样品表征方法

2．3 实验方法

2．3．1 Au／Fe3O4纳米颗粒的制备

2．3．2 Pt／Au／Fe3O4及Pt／Au／C纳米颗粒的制备

第三章 Au／FeaO4的制备与表征

3．1 Fe3O4纳米颗粒的制备及表征

3．1．1 Fe3O4纳米颗粒的制备

3．1．2 Fe3O4纳米颗粒的XRD表征

3．1．3 Fe3O4纳米颗粒的TEM表征

3．2 柠檬酸钠还原制备Au／Fe3O4

3．2．1 Au／Fe3O4的制备及表征

3．2．2 柠檬酸钠加入量的影响

3．2．3 Fe3O4加入量的影响

3．2．4 HAuCl4加入量的影响

3．3 抗坏血酸还原制备Au／Fe3O4

3．3．1 Au／Fe3O4的制备及表征

3．3．2 抗坏血酸加入量的影响

3．3．3 HAuCl4加入量的影响

3．4 THPC还原制备Au／Fe3O4

3．4．1 Au／Fe3O4的制备及表征

3．4．2 pH对THPC还原制备Au／Fe3O4的影响

3．5 THPC与抗坏血酸共同还原制备Au／Fe3O4

3．5．1 Au／Fe3O4的制备及表征

3．5．2 THPC加入量的影响

3．5．3 HAuCl4加入量的影响

3．6 小结

第四章 Pt／Au／Fe3O4的制备及其电化学性能

4．1 引言

4．2 样品Pt／Au／Fe3O4的制备

4．3 样品的表征

4．3．1 样品的UV-vis表征

4．3．2 样品的TEM表征

4．3．3 样品的XRD表征

4．3．4 样品的XPS表征

4．4 样品Pt／Au／Fe3O4催化性能的影响因素

4．4．1 不同载体对样品的催化活性的影响

4．4．2 不同Pt含量对催化活性的影响

4．4．3 CV扫描速率对Pt3／Au1／Fe3O4催化剂催化性麓的影响

4．4．4 样品Pt3／Au1／Fe3O4作为催化剂的稳定性表征

4．5 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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