纳米碳纤维修饰电极的电化学行为研究

论文摘要

纳米碳材料由于其新颖独特的电学、化学、热学特性以及特殊的机械性能,在科学研究和工业领域中受到人们广泛关注。纳米碳材料包括纳米洋葱、纳米金刚石、纳米碳管（carbon nanotubes简称CNTs）以及纳米碳纤维（carbon nanofibers简称CNFs）等多种,其中,CNFs由于它的高抗张力强度,良好的模数性能,以及相对低的价格,应用在许多领域中,尤其作为催化剂或催化剂载体在异相催化中具有更大的优势,因此,研究基于CNFs的修饰电极在电化学中的应用具有重要的理论意义和应用参考价值。本论文利用三种不同微结构的CNFs,包括板式纳米碳纤维（platelet-CNFs简称PCNFs）、鱼骨式纳米碳纤维（fish-bone-CNFs简称FCNFs）和管式纳米碳纤维（tube-CNFs简称TCNFs）,做为催化剂或催化剂载体,研究了负载纳米材料（粒子或薄膜）的不同微结构的修饰电极在甲醇氧化反应（methanol oxidation reaction,MOR）、氧还原反应（oxygen reduction reaction,ORR）、H2O2传感器以及TiO2光电化学方面的一些应用,所获得的主要结果和结论如下:1、利用电沉积的方法成功地在三种CNFs表面沉积Pt纳米微粒,制备成催化甲醇氧化反应的修饰电极Pt/CNFs。高倍SEM表征表明Pt微粒的平均粒径为50 nm,对三种修饰电极应用于燃料电池甲醇氧化反应中的电催化活性进行了比较研究,其中修饰电极Pt/PCNFs/GC对甲醇催化氧化表现出了最好的电催化活性。并探讨了修饰电极的中毒情况,在TCNFs和FCNFs上负载Pt微粒催化剂的抗中毒能力好于PCNFs负载Pt催化剂。2、利用浸渍化学还原法制备了Pt/PCNFs/GC修饰电极。高倍TEM表征表明Pt纳米微粒粒径大小约2-5 nm,并且Pt纳米微粒在PCNFs表面分布非常均匀。电化学测试表明氧还原反应在Pt/PCNFs/GC上具有较大的交换电流密度,循环伏安研究结果表明峰电流（ip）与扫速平方根（υ1/2）呈良好的线性关系,氧的电化学还原反应是受O2扩散行为控制的电极过程。Pt/PCNFs催化剂对氧还原反应具有良好的电催化活性,显示了Pt/PCNFs电催化剂在质子交换膜燃料电池中潜在的应用前景。3、根据纳米碳材料的电学特性,制备了易操作的、无试剂的、简单的H2O2传感器,利用安培法对H2O2催化氧化性能进行了比较研究。在三种H2O2传感器中PCNFs/GC具有最好的电催化性能,三周内传感器PCNFs/GC对H2O2的电流响应保持在90%以上,线性范围1.80×10-4 mol/L到2.62×10-3 mol/L,其相关系数大于0.999,相应的检测极限是4.8μmol/L H2O2 （S/N = 3）,对1.80×10-4 mol/L H2O2 （N=8）的检测相对标准偏差为2.1%,其平均电流响应为0.64μA。CNFs修饰GC电极作为电化学传感器检测H2O2为首次报道,研究结果表明PCNFs和FCNFs在发展成高性能的生物传感器方面具有潜在的应用价值。4、利用溶胶-凝胶方法,以ITO为导电基底,以FCNFs和PCNFs作为光电极的载体修饰了薄膜TiO2,对该电极进行了SEM、XRD、UV-Vis表征和光电流-电压、开路电压、单色入射光-光电流转化效率（IPCE）测试。实验结果表明ITO/PCNFs/TiO2复合薄膜光电极表现出了比ITO/FCNFs/TiO2和ITO/TiO2更好的光电化学活性和灵敏性,主要因为PCNFs具有特殊的表面结构,它存在较多的边缘位碳原子以及大的工作表面积,可提供有利于电子快速传递的位置。尤其,复合薄膜光电极在可见光区有明显的光电流响应,主要原因是修饰光电极中存在一种协同效应,光照时由TiO2价带上激发的光电子直接传递给了CNFs,然后被收集传递到外电路,此时在TiO2的价带上形成空穴,从而对满足能级匹配原则的一定波段可见光发生响应。拓宽了光吸收频率范围,提高了光电转化效率。本论文内容系国家自然科学基金项目“纳米二氧化钛复合有序纳米线阵列电极的制备与光电特性”（No.20673028）,国家高技术研究发展计划（863）项目子课题“新型掺杂纳米TiO2可见光分解水制氢技术研究”（No.2006AA05Z121）的部分工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 纳米碳材料研究简介
• 2 选题背景、研究内容及意义
• 1 纳米碳纤维负载铂修饰电极的制备及对甲醇催化氧化的研究
• 1.1 前言
• 1.2 实验部分
• 1.2.1 试剂与仪器
• 1.2.2 纳米碳纤维的制备与电极修饰
• 1.2.3 纳米铂微粒的电沉积
• 1.3 结果与讨论
• 1.3.1 催化剂的TEM、SEM、EDS 表征
• 1.3.2 修饰电极的电化学活性表面积表征
• 1.3.3 修饰电极对甲醇氧化反应的电催化活性研究
• 1.3.4 催化剂在甲醇氧化过程中的中毒情况研究
• 1.4 本章小结
• 2 修饰电极PT/PCNFS/GC 对氧还原反应催化活性的研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器和试剂
• 2.2.2 催化剂Pt/PCNFs 的制备
• 2.2.3 工作电极的制备和修饰
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 催化剂的TEM 表征
• 2.3.2 催化剂的电化学表征
• 2.3.3 修饰电极对氧还原反应催化活性研究
• 2.4 本章小结
• 3 不同微结构纳米碳纤维安培法监测过氧化氢催化性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 纳米碳纤维的制备与纯化
• 2O₂ 传感器的制备'>3.2.3 H₂O₂传感器的制备
• 3.2.4 实验步骤
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 修饰电极的结构表征
• 3.3.2 修饰电极的循环伏安特性
• 2O₂ 的电催化氧化响应特性'>3.3.3 修饰电极对H₂O₂的电催化氧化响应特性
• 3.3.4 检测极限、可逆性、线性范围、灵敏性和稳定性
• 3.4 本章小结
• 2 包覆不同微结构纳米碳纤维薄膜电极的光电性能研究'>4 TiO₂包覆不同微结构纳米碳纤维薄膜电极的光电性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 2/CNFs 复合薄膜光电极的制备'>4.2.2 TiO₂/CNFs 复合薄膜光电极的制备
• 4.2.3 光电化学测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合薄膜电极的表征
• 4.3.2 复合薄膜电极光电化学响应特性
• 4.3.3 薄膜电极的光电流作用图谱
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 后记
• 攻读学位期间取得的科研成果清单