微乳液法制备棒状Co3O4及其对氧气还原反应的协同催化作用

摘要

四氧化三钴是一重要的p型半导体，它以多种氧化态形式存在。很多方法被用来制备Co3O4，比如说:固相反应法、沉淀法、化学气相沉积法、水热合成法等等。但是，以上方法总是存在一些缺点，或者需要多步反应合成，或者要求严格的操作条件，或者两者兼有，而且制备得到的样品尺寸和分布不好控制。
　　 本文使用一种简单的微乳液法来制备棒状Co3O4，首先，使用CTAB/正丁醇/环己烷/CoCl2和CTAB/正丁醇/环己烷/H2C2O4双微乳液体系制备出CoC2O4·2H2O前驱体，棒状Co3O4由CoC2O4·2H2O前驱体煅烧制得。探讨了不同因素对CoC2O4·2H2O前驱体和棒状Co3O4形态的影响，如:沉淀剂的种类，表面活性剂的种类，[H2O]/[表面活性剂]比值，油/水比值和表面活性剂/助表面活性剂比值以及煅烧温度等等。此外，聚乙二醇(PEG)作为分散剂能大幅改善CoC2O4·2H2O前驱体和棒状Co3O4的形态。经实验得到了三种不同长径比的Co3O4，双连续相型、W/O型、O/W型微乳液中制备得到Co3O4的长径比分别为67-150、50-125和10-50。按照理论，由于反应在水相中进行，W/O型微乳液中制备得到Co3O4的长径比应该最小，所以本文中进一步探究了O/W型微乳液中制备得到Co3O4的长径比最小的原因，影响因素有三个:草酸分子的电离作用，聚乙二醇和正丁醇的作用。
　　 然后，用葡萄糖作为还原剂，用简单的化学还原法将Pt粒子负载到棒状Co3O4上制成Pt/Co3O4复合材料，Pt粒子粒径集中在1.6nm。通过循环伏安实验证明，单纯的棒状Co3O4和Pt/Co3O4复合材料在碱性溶液中氧还原能力很弱，出现微弱的氧还原峰，氧还原峰电位在-0.50～-0.40V之间，峰电流密度为0.5～0.6mA·mg-1。但是将Co3O4以及Pt/Co3O4复合材料和炭黑(Vulcan-72)按一定比例共混后，氧还原能力增强，氧还原峰电位在-0.35～-0.30V之间，峰电流密度为6-11mA·mg-1，峰电位和峰电流都得到了很大提高，说明和炭黑共混后，Co3O4表现出良好的氧还原能力。并通过旋转圆盘实验证明，单纯的炭黑发生的是二电子反应，而经过共混后的材料表现出四电子反应能力，说明Co3O4材料和炭黑之间有一定的协同作用。

目录

声明

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 Co3O4简介

1．2．1 Co3O4的结构和性质

1．2．2 Co3O4的应用

1．3 纳米Co3O4的制备

1．3．1 固相法

1．3．2 液相法

1．3．3 其他方法

1．4 微乳液简介

1．4．1 微乳液体系组成

1．4．2 微乳液体系反应原理

1．4．3 微乳液的性质

1．4．4 微乳液方法发展历程

1．5 本课题的研究内容及难点分析

1．5．1 本课题的主要研究内容及意义

1．5．2 难点分析

1．5．3 创新点

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验仪器

2．3 催化剂的制备方法

2．3．1 Co3O4纳米棒的制备

2．3．2 化学还原法制备Pt／Co3O4复合材料

2．4 催化剂的表征及性能

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)测试

2．4．2 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)测试

2．4．3 X射线衍射(XRD)测试

2．4．4 热重和差热分析(TG-DTA)测试

2．4．5 红外光谱(FI-IR)测试

2．4．6 X光电子能谱(XPS)测试

2．4．7 电化学测试

第三章 四氧化三钴的制备与表征

3．1 前言

3．2 沉淀剂对前驱体形态的影响

3．3 表面活性剂对前驱体形态的影响

3．4 [H2O]／[表面活性剂]比值对前驱体形态的影响

3．5 O／W和S／A值对Co3O4形态的影响

3．6 反应物浓度对Co3O4形态的影响

3．7 聚乙二醇对Co3O4形态的影响

3．7．1 聚乙二醇加入量的影响

3．7．2 不同类型微乳液中PEG的影响

3．8 煅烧温度的影响

3．9 机理的进一步探究

3．9．1 草酸的电离作用

3．9．2 聚乙二醇的作用

3．9．3 正丁醇的作用

3．10 本章小结

第四章 Pt／Co3O4复合材料的制备

4．1 前言

4．2 化学还原法制备Pt／Co3O4

4．2．1 电子显微镜分析(SEM和TEM)

4．2．2 X射线衍射分析(XRD)

4．3 制备不同Pt负载量的Pt／Co3O4复合材料

4．4 本章小结

第五章 催化剂电化学性能研究

5．1 前言

5．2 Co3O4和不同Pt负载量的Pt／Co3O4的循环伏安测试

5．3 Co3O4和不同Pt负载量的Pt／Co3O4的旋转圆盘测试

5．3．1 电子转移数

5．3．2 半波电位

5．3．3 过氧化氢产率

5．4 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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