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铝基合金的去合金化及纳米多孔金属的形成研究

2020-12-11阅读(184)

铝基合金的去合金化及纳米多孔金属的形成研究

论文摘要

本文中,我们采用Al作为初始合金中的次贵金属组元,与一系列贵金属组元（Ag,Pd,Au/Pt等）按照一定成分比例熔炼并通过快速凝固方法获得相应的铝基初始合金,在相关腐蚀溶液中（本文中采用5 wt.%HCl溶液和20wt.% NaOH溶液）进行化学去合金化处理获得了相应的纳米多孔单金属、双（三）金属纳米多孔合金。通过X-射线衍射、扫描／透射电镜等分析手段发现,对于Al-Ag体系,快速凝固Al-15-50Ag合金主要由a-Al（Ag）和Ag2Al两个相组成,而Al-60Ag合金则完全由单一的Ag2Al组成。a-Al（Ag）和Ag2Al两个相共存时,由于产生的协同去合金效应以及银原子具有高的扩散速率使得去合金后获得的纳米多孔银表现出均匀分布的典型双连续韧带-通道多孔结构；在5 wt.%HCl溶液中,Al-15-40Ag合金可以发生完全去合金化形成单相面心立方银多孔结构,当银含量继续增大,则部分Ag2Al相不能被去合金化而保存到韧带内部；随着初始合金中银含量的增大,去合金后韧带尺寸呈现逐渐变大的趋势；Al-60Ag单相合金仅能在热的浓盐酸环境下发生表面去合金行为,随后即发生钝化现象,说明此时合金成分已接近Al-Ag系合金的去合金临界成分。对于Al-Pd体系,快速凝固Al80Pd20合金主要由α-Al和Al3Pd两相组成,去合金过程中α-Al相首先被腐蚀形成大尺寸通道,Al3Pd相则发生去合金化形成纳米多孔钯,当选用5 wt.%HCl溶液和20wt.% NaOH溶液进行去合金化处理时,分别获得了韧带尺寸为～20 nm和～5 nm的纳米多孔钯材料。这种通过去合金化获得的纳米多孔钯材料具有与钯纳米粒子类似的电化学性质,具有大的电化学表面积,对甲醇、乙醇和甲酸等有机小分子表现出优越的电催化氧化活性,有望在相应的电催化及燃料电池领域获得实际的应用。并且我们发现经过球磨处理的Al77Pd23合金粉末主要由Al3Pd相组成,α-Al相的含量进一步减少,通过在碱性溶液中去合金化处理获得粉末状雷尼钯,这种雷尼钯粉末显然可以较容易的大量制备,并且同样对乙醇等有机小分子表现出良好的电催化活性,有望投入到实际的工业生产中去。通过在单相Al2Au初始合金中添加适量的Pt、Pd等元素替代等量的Au,发现其相组成不发生变化,Pt, Pd原子占据Au的晶格位点,仅发生了微量的晶格收缩,形成相应的单相Al2（Au,Pt）, Al2（Au,Pd）, Al2（Au,Pd,Pt）金属间化合物。这种经过掺杂的初始合金去合金化过程中由于掺杂原子对于金原子的钉扎作用,使得形成多孔合金的韧带尺寸明显减小,且腐蚀溶液种类和掺杂量对韧带尺寸存在调制作用,当采用氢氧化钠作为腐蚀溶液时可以获得3-5 nm的超细孔结构,最佳的掺杂量在10 at.%到20 at.%之间,并且Pt掺杂具有比Pd掺杂更优越的韧带细化效果。由于Pt、Pd掺杂原子与周围金原子环境的协同作用,这类纳米多孔合金材料可以获得比单纯的多孔金更优越的甲醇和甲酸电催化活性。通过快速凝固方法获得的Al70Pd30合金由Al3Pd和Al3Pd2两种金属间化合物相组成,其中Al3Pd相可以发生去合金化形成纳米多孔钯,而Al3Pd2则表现出完全惰性,保留下来并被埋置于纳米多孔钯基体中,其致密结构导致这种纳米多孔钯复合材料的电化学活性面积较纯纳米多孔钯减小。Al75Pd17.5Au7.5三元合金由两种经过掺杂的金属间化合物相组成,即Al3（Pd,Au）和Al2（Au,Pd）,去合金化后形成了np-Pd（Au）和np-Au（Pd）两种多孔固溶合金结构交替结合在一起的多孔复合结构,由于低扩散速率原子的掺入,np-Au（Pd）区域的韧带／通道尺寸明显低于相应腐蚀溶液中获得的纯多孔金所表现的尺寸。双相合金去合金化行为与相组成以及去合金化过程中相与相之间是否存在协同效应密切相关,造成了不同结构的纳米多孔金属（复合）材料。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 本文的主要创新点
  • 第一章 绪论
  • 1.1 去合金化现象的发现和历史发展
  • 1.2 去合金化制备纳米多孔金属的基本原理
  • 1.3 纳米多孔金属材料的独特性能及其应用
  • 1.3.1 催化性能
  • 1.3.2 传感和激发性能
  • 1.3.3 力学性能
  • 1.3.4 光学性能
  • 1.4 目前常见的去合金化合金体系及相应纳米多孔金属
  • 1.5 本文研究意义和主要研究内容
  • 1.5.1 研究意义
  • 1.5.2 主要研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 试验方法及设备
  • 2.1 研究方案及技术路线
  • 2.2 试验材料、试剂及相关仪器
  • 2.2.1 实验材料及试剂
  • 2.2.2 实验仪器及设备
  • 2.3 前驱体合金的熔炼及纳米多孔金属的去合金化制备
  • 2.3.1 前驱体合金的制备
  • 2.3.2 多孔金属材料的形成
  • 2.4 试验表征测试方法
  • 2.4.1 X射线衍射
  • 2.4.2 扫描电子显微镜与EDX成分分析
  • 2.4.3 透射电子显微镜和电子衍射分析
  • 2.4.4 高分辨透射电子显微镜分析
  • 2吸附比表面积分析'>2.4.5 N2吸附比表面积分析
  • 2.4.6 相关电化学测试
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 Al-Ag合金的去合金化及纳米多孔银的形成
  • 3.1 引言
  • 3.2 Al-Ag初始合金相组成研究
  • 3.3 A1-Ag合金去合金化后相组成和形貌研究
  • 3.3.1 Al-15～50Ag在盐酸溶液中去合金化后XRD分析
  • 3.3.2 初始合金成分对纳米多孔银微观结构的影响
  • 3.3.3 Al-15～50Ag在氢氧化钠溶液中去合金化形成纳米多孔银的形貌及相分析
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 纳米多孔钯的制备及其电催化性能
  • 4.1 引言
  • 80Pd20去合金化形成纳米多孔钯的形貌与结构'>4.2 Al80Pd20去合金化形成纳米多孔钯的形貌与结构
  • 4.3 纳米多孔钯的电催化活性研究
  • 4.3.1 纳米多孔钯的电化学伏安曲线
  • 4.3.2 不同金属载量对甲醇电催化活性的影响
  • 4.3.3 溶液中甲醇浓度对电催化活性的影响
  • 4.3.4 电位扫描速率与电催化活性的关系
  • 4.3.5 纳米多孔钯电极与平板钯电极电催化活性比较
  • 77Pd23合金粉末去合金化后的电催化活性'>4.4 Al77Pd23合金粉末去合金化后的电催化活性
  • 4.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 超细孔纳米多孔合金的制备及元素掺杂对其结构和性能的影响
  • 5.1 引言
  • 2Au初始合金去合金化前后相组成影响'>5.2 元素掺杂对单相Al2Au初始合金去合金化前后相组成影响
  • 5.3 去合金化制备纳米多孔合金及掺杂元素对其微结构的影响
  • 5.3.1 掺杂元素种类对纳米多孔合金结构的影响
  • 5.3.2 腐蚀溶液种类对纳米多孔合金形貌的影响
  • 5.3.3 掺杂量对多孔合金形貌的影响
  • 5.4 元素掺杂形成纳米多孔合金的电催化性能研究
  • 5.4.1 掺杂对纳米多孔金电化学性质的影响
  • 5.4.2 纳米多孔金掺杂前后对甲酸的电催化活性
  • 5.4.3 纳米多孔金掺杂前后对甲醇的电催化活性
  • 5.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 纳米多孔复合材料的形成机理及相关表征
  • 6.1 引言
  • 70Pd30合金的去合金化及含有惰性相的复合结构的形成'>6.2 Al70Pd30合金的去合金化及含有惰性相的复合结构的形成
  • 75Pd17.5Au7.5合金的去合金化及Pd、Au原子的选择性固溶分布对多孔合金微结构的影响'>6.3 Al75Pd17.5Au7.5合金的去合金化及Pd、Au原子的选择性固溶分布对多孔合金微结构的影响
  • 6.4 双相合金的去合金化及多孔复合材料的形成机理探讨
  • 6.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 结论
  • 致谢
  • 附录
  • A 已发表科研论文
  • B 获得荣誉和奖励
  • 外文论文
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

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