论文摘要
纳米尺度的洋葱状富勒烯（Onion-like Fullerenes，OLFs）是继C60、碳纳米管之后人们发现的又一种崭新的全碳物质，其具有较高的石墨化程度、良好的抗腐蚀性、高的导电性、较大的比表面积等特性，预计将在作为催化剂载体方面发挥巨大作用。目前炭黑、碳纳米管等碳材料已经广泛地用于催化剂载体，但是尚无使用洋葱状富勒烯作为催化剂载体的报道。本文使用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）制备了内包金属Fe的洋葱状富勒烯，采用硝酸回流的方法对其进行了纯化处理和官能化处理；通过浸渍还原法制备了20 wt.％Pt／OLFs和Pt／Vulcan XC-72催化剂；利用高分辨透射电子显微镜（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM）、场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope，FESEM）、X-射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）、X-射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscope，XPS）等对产物的结构和形貌进行了表征，并通过电化学实验表征了催化剂对活性物质甲醇的电催化性能。结果表明：①经酸处理后OLFs的纯度得到了较大的提高，去除了其中绝大部分的内包Fe颗粒和部分的非晶碳颗粒，并使其表面出现了大量的羰基、羟基和羧基等官能团，这些官能团一方面增强了OLFs的水溶性，另一方面也为Pt颗粒在OLFs表面的附着提供了条件。②浸渍还原法制备的Pt／OLFs中，Pt颗粒在OLFs上具有高度的分散性，且具有典型的fcc结构；其平均直径为3.05 nm，而负载在Vulcan XC-72上的Pt的平均粒径为4.10 nm；Pt／OLFs主要包含Pt0，而Pt2+的含量较小，由于粒径更小和分散更均匀，所以Pt／OLFs中的Pt的活性比表面积大于Pt／Vulcan XC-72，采用循环伏安法可以得到Pt／OLFs催化剂在0.78 V对甲醇氧化的峰电流值比Pt／Vulcan XC-72高约20％。由于HCHO在Pt4+到Pt0的过程中起到了重要的还原作用，所以只有使用过量HCHO作还原剂，才可以制备出Pt颗粒晶体结构完整，分散良好且直径分布在2.5～3.5 nm之间的Pt／OLFs催化剂。本研究还发现了一种宏量制备微米尺度（500 nm左右）的石墨化碳球—石墨微球（Graphitized Spheres，GSs）的新方法：以脱油沥青为原料，不使用任何催化剂，先采用化学气相沉积法制备无定形碳微球，后采用真空热处理法对其进行石墨化处理。结果表明：利用此工艺生成石墨微球，粒径具有可控性；生成的石墨微球具有较高的石墨化程度和热稳定性。预测这种新型的微米石墨球必然会在电子材料、能源材料和生物医用材料等领域中产生更大的应用价值。