金属/石墨烯复合材料的制备及催化性能研究

【摘要】贵金属纳米催化剂一直以来在燃料电池、生物传感器、汽车尾气处理等应用领域有不可替代的作用。燃料电池因其能量转化效率高、污染低、燃料来源广等优点成为新能源研究的热点。无酶的葡萄糖传感器因为其性能稳定，对外界环境要求低，也成为科研工作者的研究热点。然而，这两者都存在催化剂活性较低和价格高昂的问题，阻碍了两项技术的商业化应用。因此，如何提高催化剂的活性和利用率、降低贵金属用量是目前研究的重点。本论文选择石墨烯(rGO)为载体，分别利用电化学方法和化学合成方法制备出PdPt/rGO、PdCu/rGO和PtPdCu/rGO纳米复合催化剂并对其催化性能进行了研究。主要研究内容和结果如下：(1)通过简单的电化学方法制备了还原氧化石墨烯负载PtPd纳米颗粒的纳米复合材料(PtPd/rGO)，此纳米复合材料可以作为甲醇、乙醇和甲酸催化氧化的催化剂。rGO的石墨化程度和电化学活性是由其还原程度来控制的，可通过改变还原时间来调控rGO的还原程度。我们的实验结果表明，适度还原的rGO表面含有适量的含氧官能团，有利于金属粒子沉积时的成核。与单纯的PtPd二元金属复合催化剂相比，rGO的引入可大大提升纳米复合催化剂的催化性能。这是因为rGO具有良好的吸附功能，可以吸附试验过程中产生的有毒中间产物，使得催化剂的耐毒化性能提高；rGO良好的导电性和有序的石墨化结构也有利于电子传输并加速电极表面的传质动力学。(2)通过一步水热法制备PdCu/rGO纳米复合材料。PdCu/rGO复合材料呈现出多孔的三维结构，PdCu纳米粒子负载在rGO表面或者被rGO包覆。PdCu/rGO复合材料在含有Cl-的碱性溶液中对葡萄糖的电催化氧化表现出良好的催化效果，这主要是因为PdCu纳米粒子和rGO的协同作用。相对于单金属/rGO催化剂，双金属PdCu/rGO催化剂有更好的催化效果，有更大的氧化电流，更小的氧化初始电位。在恒电位-0.4V时，最佳比列的PdCu/rGO对葡萄糖催化氧化反应响应快，在18mM之内线性关系好，灵敏度可以达到48uA(mg/mM)1。除外，PdCu/rGO催化剂还表现出很好的抗干扰性能，在血糖中存在多种干扰物如多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、对乙酰氨基酚(AP)以及果糖(fructose)时，对PdCu/rGO催化剂的干扰影响较小。因此，PdCu/rGO纳米复合材料作为无酶的葡萄糖传感器是很有应用前景。(3)采用两步水热法制备PtPdCu/rGO纳米复合催化剂并研究其对甲醇和乙醇催化氧化的性能。相对于单金属/rGO催化剂而言，PtPdCu/rGO催化剂对甲醇和乙醇的催化氧化峰电流密度更大，对中间产物的耐毒化性能更高，甲醇初始氧化峰的电位更低，说明PtPdCu/rGO催化剂催化反应时需要跨过的势垒较低。催化剂稳定性测试也证明，PtPdCu/rGO催化剂的稳定性优于双金属/rGO催化剂和单金属/rGO催化剂。
【作者】袁明；
【导师】王家俊；刘爱萍；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】贵金属；石墨烯；电化学沉积；水热法；催化性能；

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