基于离子液体的超细金属纳米材料的制备及其电催化性能研究

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金属纳米颗粒因其有独特的原子和电子结构、优异的电催化性能等特征,它的合成与应用一直是材料科学领域的研究热点。利用离子液体(ILs)的蒸气压低、溶解性高,且特定的ILs的结构有序性,将其作为金属合成中作为保护剂来制备超细纳米颗粒,是一种非常绿色的方法。利用离子液体和金属纳米材料两者的优势制备的纳米催化剂用于电化学催化还原CO2和氧化乙醇为环境净化和储能做出一点贡献。本文在前人研究的基础上展开工作,使用氨基功能化的离子液体(1-胺乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)保护超细金属纳米颗粒合成,获得金钯核壳(Au@Pd)结构的超细纳米颗粒和超细铜金(CuAu)合金纳米颗粒,并进行电化学性能研究;利用透射电镜(TEM)、高分辨率透射电镜(HTEM)、冷场发射双球差校器透射电镜(STEM)来表征样品的形貌,利用紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、X射线光电子能谱仪(XPS)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)等表征方法对纳米颗粒的物理性质及结构性质进行分析和理解,利用电化学工作站、气相色谱仪(GC),对合成的催化剂进行电催化性能的测试。本论文主要包含以下研究内容:(1)使用功能性离子液体1-胺乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为金属合成的保护剂,利用种子介导生长法合成了金钯核壳(Au@Pd)结构的超细纳米颗粒,对获得的金属纳米颗粒采用TEM、HTEM、STEM等来表征样品的形貌;将获得形貌良好的金属颗粒负载在炭黑上,用UV-vis、XRD、XPS对催化剂的结构和物理化学性质进行分析。表征结果显示,制备的超细Au@Pd核壳颗粒的粒径都在2-4nm左右,形貌良好。利用ICP-MS、电化学工作站对不同摩尔比金属成分下的的金属颗粒进行定量分析和电化学应用的研究,Au@Pd核壳纳米颗粒是进行电化学乙醇氧化的性能研究,与商业Pd相比,Au@Pd核壳纳米颗粒是其氧化乙醇的11倍,且稳定性良好。(2)使用功能性离子液体1-胺乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为金属合成的保护剂,利用一锅法合成了超细铜金(CuAu)合金纳米颗粒,对获得的金属纳米颗粒采用一系列表征手段,包括通过TEM、HTEM、来观察样品的形貌;将获得形貌良好的金属颗粒负载在炭黑上,用UV-vis、XRD、XPS对催化剂的结构和物理化学性质进行分析。表征结果显示,制备的超细CuAu合金颗粒粒径都在2-4nm左右,形貌良好。然后利用电化学工作站、GC、ICP-MS对不同摩尔比金属成分下的的金属颗粒进行定量分析和电化学应用的研究,将铜金合金纳米颗粒用于电化学还原CO2的性能研究,发现CO2还原成的CO的法拉第效率随着Au含量的增加而提高。Cu/Au的摩尔比为1/9时,CO法拉第效率最高,约为75.8%。
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