离子液体电沉积制备银钯、钯镍纳米粒子及其催化性能研究

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由于其具有较高的电催化活性和稳定性,纳米合金粒子的粒径和组成对其催化性能有较大影响。而制备粒径、结构、组成连续可控的纳米合金粒子仍然极具挑战性。氯化1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]Cl)离子液体作为一种新型环境友好绿色溶剂,不仅可以作为软模板和助表面活性剂参与微乳液中微反应器的形成,而且可以提高电解质溶液的电导率,有效抑制纳米粒子的团聚。为了实现纳米合金粒子的精细化制备,本文研究了在含有[BMIM]Cl离子液体的四元离子液体微乳液(ILM)体系中,采用电化学还原的方法,通过调控微乳液组成和制备条件从而获得分散性良好,粒径和组成连续可控、并具有高电催化活性的AgPdNPs和PdNiNPs催化剂。并通过一系列的分析测试方法对制得的AgPd NPs和PdNi NPs催化剂的形貌、粒径和组成及其电催化乙醇的性能进行了详细的研究和讨论。选取[BMIM]Cl离子液体作为助表面活性剂构建了稳定的四元离子液体微乳液(ILM)体系。研究了 ILM体系的电化学行为,结果表明在该ILM体系中银钯、钯镍双金属离子能够实现共同的电化学还原。而离子液体的加入有助于还原反应的进行。进一步研究发现银钯金属离子的电化学还原同时发生在电极表面和ILM体系溶液中。研究发现AgPd NPs和PdNi NPs的晶核密度、粒径和组成会随着电流密度、沉积时间、离子液体浓度、水相浓度、金属离子摩尔比的变化而发生相应的变化。其中电流密度和离子液体浓度对AgPd NPs和PdNi NPs的晶核密度和粒径影响更为明显。AgPdNPs和PdNiNPs的粒径可以通过调节电流密度和离子液体浓度来控制,而AgPd NPs和PdNi NPs的化学配比则可通过调节水相溶液中银钯或钯镍金属离子的摩尔比例来实现。由此探索出了电化学制备粒径较小,分布均匀的AgPd NPs(10 nm)和PdNiNPs(16nm)的电化学制备方法。研究了不同粒径尺寸和不同金属摩尔比AgPdNPs和PdNiNPs对电催化氧还原和乙醇氧化性能的影响,发现在碱性条件下,AgPdNPs和PdNi NPs对电催化氧还原和乙醇氧化均具有积极作用,使得乙醇燃料电池的催化过程更为容易进行,且粒径较小的AgPd NPs和PdNi NPs由于其具有高活性和较大的活性表面积而表现出更好的电催化效果。AgPdNPs的催化效果要明显优越于纯金属纳米粒子催化剂,当AgPdNPs中金属银钯摩尔比为1:1时,电催化乙醇的效果最佳。而PdNi NPs中金属钯镍摩尔比为2:1时,电催化乙醇的效果最佳。不同金属摩尔比AgPdNPs和PdNiNPs对电催化氧化乙醇具有非常高的电催化活性和长期的电催化稳定性。研究了电流密度和离子液体浓度对ILM体系溶液中AgPd NPs的晶核密度和粒径的影响,发现随着电流密度的增加,ILM体系溶液中AgPdNPs的晶核密度显著增加,粒径也不断增大;随着离子液体浓度的增大,ILM体系溶液中AgPdNPs的晶核密度和粒径均不断增大,而当离子液体浓度大于7.14 wt%时,ILM体系溶液中AgPdNPs的晶核密度和粒径并没有发生明显变化。由此探索出了合适的电化学制备条件,可以在ILM体系溶液中得到粒径为3 nm左右的AgPdNPs。研究了 ILM体系溶液中,不同粒径和不同金属摩尔比AgPd NPs对电催化氧还原性能的影响,表明在碱性条件下,ILM体系溶液中AgPdNPs由于其很好的协同作用对电催化氧还原具有积极影响,且粒径较小的AgPd NPs表现出更好的电催化氧还原效果。ILM体系溶液中AgPd NPs的催化效果要明显优越于纯金属纳米粒子催化剂,当ILM体系溶液中AgPd NPs中金属银钯摩尔比为3:7时,电催化氧还效果最好。可以通过调控ILM体系溶液中金属银钯的摩尔比例来制备具有良好催化性能的AgPdNPs催化剂。
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