Au/Fe3O4纳米颗粒及Pt/Au/Fe3O4催化剂的制备与表征

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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。
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