納米電催化材料的研究進展

1、納米電催化材料的研究進展化學(xué)化工學(xué)院 11（1）班 黃聰慧 11231103摘要:介紹了納米電催化材料的分類、制備方法、性質(zhì).初步介紹納米電催化材料的電催化活性與納米顆粒尺寸的降低之間存在的特殊規(guī)律以及納米電催化材料上的異常紅外效應(yīng)【1】。對今后納米電催化材的研究方向進行了展望。關(guān)鍵詞:納米材料;電催化;電催化劑1 引言隨著人們環(huán)保意識的增強,電催化作為一種潔凈的催化過程越來越受到重視,被廣泛應(yīng)用于有機電合成、燃料電池等領(lǐng)域.為節(jié)能降耗或提高燃料電池的轉(zhuǎn)化效率,開發(fā)研制新型的高效電催化材料成為電催化應(yīng)用研究中的核心技術(shù)【2】。納米材料引入電催化研究中,給新型電催化材料的開發(fā)注入了新的活力。本文

2、將著重介紹近幾年來人們對納米電催化材料的研究成果。2納米電催化材料的分類種類 舉例 納米 金屬 Au(35 nm)Pt (220 nm) 納米合金 W0. 013Ru1. 27Se (1. 22nm) Pt- Pb- Sb(10 nm) Co-Mo (20100 nm) Pt-M(30100 nm) M = Co ,Cr ,Ni Ni-Mo (1. 7 nm) 納米 氧化物Ti2RuFe (6100 nm) 氧化銥(4. 2 nm) 納米復(fù)合材料Au/有機物(25 nm)Pt (或 Pt/ Ru) /碳納米管(27 nm)Au + Fe2O3 (Au 3. 2 nm ,Fe2O3 2050 n

3、m酶/ Au(50 nm)DNA/ Au(20 nm) Fe (bpy) 3 2 +/沸石(0. 74 nm)3納米電催化材料的制備方法3. 1 還原法以金屬的化合物為原料,在一定介質(zhì)和還原劑存在條件下,進行水解還原反應(yīng),得到納米金屬的方法稱為還原法。通過控制溫度、攪拌條件、pH值以及還原劑的種類可得到320 nm范圍的納米顆粒【3】。3.2 高能球磨法按特定的比例將幾種金屬混合后,置于球磨機中,在氮氣氛圍下,依靠鋼球的擠壓碰撞,混合金屬出現(xiàn)大量的結(jié)構(gòu)缺陷,促進了元素間的擴散 ,使混合組分發(fā)生固態(tài)反應(yīng),同時晶格力的破壞導(dǎo)致碎片的生成,最終形成納米合金。隨球磨時間的不同可得到430 nm范圍的納

4、米晶體【4】。3.3 化學(xué)沉淀法將幾種不同金屬的羰基化合物按一定比例加入到特定的有機溶劑中,在攪拌和特定條件下,形成合金的沉淀物,再經(jīng)洗滌,干燥得到納米合金.變換溶劑可得到 1.2100 nm的納米晶體【5】。3.4 電沉積法這是在基體電極上直接合成納米材料的一種方法.先將基體電極置于金屬鹽溶液中,然后利用電化學(xué)手段如恒電位、恒電流或電位掃描等方法,控制一定電流密度、電位或電位掃描范圍及反應(yīng)時間,最終制得納米材料。依反應(yīng)條件不同可得到110 nm范圍的納米材料【6】。3.5 兩相法借助相轉(zhuǎn)移劑的作用將水溶液中的金屬化合物轉(zhuǎn)移到有機溶劑中,在有機相中,化合物被還原,金屬成核沉淀的同時被有機溶劑中

5、另一有機物所包裹形成復(fù)合納米材料.控制反應(yīng)條件,可調(diào)節(jié)顆粒尺寸在13 nm【7】。3.6 溫度誘導(dǎo)法將3.5 節(jié)中制得的小顆粒的納米復(fù)合物溶于有機溶劑或熔融鹽中,然后加熱到某一固定溫度,得到較大顆粒的方法稱為溫度誘導(dǎo)法,與兩相法相配合,可得到 46 nm的納米復(fù)合材料。最后,需要指出的是,以上各方法得到的納米電催化材料一般需要通過涂抹等手段附著于電極上,構(gòu)成電極后才能應(yīng)用于電催化反應(yīng)中,發(fā)揮納米電催化材料的電催化作用【8】。4 納米電催化材料的性質(zhì)4.1 改善的電催化性能與非納米材料相比 ,使用納米電催化材料 ,可大大降低過電位 ,即陽極氧化起始電位負(fù)移 ,陰極還原電位正移;同時 ,峰電流顯著

6、增大 ,說明納米電極的電催化材料具有改善的電催化性能【9】。典型的結(jié)果列于表 2 中。納米電催化材料反應(yīng)電催化性能Ni-Mo 合金Fe2O3+ AuPt- Pb- SbAuTiO2氫析出CH3OH氧化草酸還原CO 氧化草酸還原過電位降低255 mV ,交換電流密度增大6倍陽極氧化電位負(fù)移200 mV起始還原電位正移大約600 mV過電位降低180 mV起始還原電位正移大約600 mV4.2 對蛋白分子電子傳遞反應(yīng)的促進作用納米尺寸的顆粒對蛋白質(zhì)分子具有較好的生理相容性,即吸附于金屬顆粒表面的蛋白分子能較好保持自身的生理活性【10】。利用這一性質(zhì)將蛋白質(zhì)分子吸附于納米顆粒上,制得復(fù)合納米材料,涂

7、抹于電極上可得到生物傳感器。細(xì)胞色素C是一種含血紅色素的金屬蛋白分子,洪廣言研究發(fā)現(xiàn)修飾在金電極上的CeO2納米晶對細(xì)胞色素 C電子傳遞反應(yīng)具有促進作用,并認(rèn)為附著到金電極表面的CeO2納米晶會在電極表面形成許多電化學(xué)活性點,構(gòu)成電極與細(xì)胞色素之間的電子傳遞通道,因而產(chǎn)生促進效應(yīng)【11】。酶作為一種生物催化劑,也是蛋白質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),將酶吸附于納米顆粒上,不僅酶的生理活性能保持不變,而且它的催化活性能得到顯著提高TANG Fangqioq等人研究了納米顆粒對葡萄糖酶電催化活性的促進作用,發(fā)現(xiàn)催化電流能提高10倍多【12】。他們認(rèn)為金納米顆粒能附著在葡萄糖酶的氧化還原中心(FAD/ FADH2)因

8、而縮短了金納米顆粒與FAD之間的距離及電極與金屬納米顆粒間的距離,而金具有優(yōu)良的電催化性能【13】。因此,覆蓋于酶表面的納米金顆粒起到了酶與電極表面的電子通道作用,因而顯著加快了電極和葡萄糖酶間的電子傳遞速率,明顯改進了葡萄糖酶對底物的催化活性。5 結(jié)束語納米電催化材料為電催化的研究開辟了新天地.作為一種新型的電催化劑,它不僅能極大改善電極的電催化性能,實現(xiàn)節(jié)能降耗。而且,與酶及生物大分子有較好的相容性,為制備酶電極提供了可能【14】。因此 ,相信會越來越成為電化學(xué)、催化科學(xué)、化學(xué)工作者所重視.今后 ,應(yīng)著重以下幾個方面的研究:1.制備方法的研究 利用現(xiàn)有的制備方法,得到的納米電催化材料大都經(jīng)

9、二次加工結(jié)合在基體電極上,自然帶來許多不便。解決這一問題可從兩方面下手:一是探索原位合成方法如直接在基體電極上進行電沉積等;二是探索利用具有電催化活性的導(dǎo)電材料直接合成納米電極;另外,探索制備不同尺寸的納米粒子的實驗條件也很有意義【15】。2.表征手段的擴展 現(xiàn)有表征手段測試如STM、 SEM 等大都停留于表面形貌的測試。而對納米電催化材料電性質(zhì)的表征卻未見有報道.因此,為深入研究結(jié)構(gòu)與性質(zhì)間的關(guān)系,必須擴展表征手段以全面的了解納米電催化材料在結(jié)構(gòu)上的特點,為進一步的關(guān)聯(lián)提供實驗數(shù)據(jù).3.納米電催化材料應(yīng)用范圍的拓寬,將這種新型電催化劑應(yīng)用于不同體系、不同領(lǐng)域,將為人們認(rèn)識納米電催化材料的電催

10、化特性積累更為豐富的感性知識從而使人們最終能揭開這種新型電催化劑的奧秘。參考文獻(xiàn)1 張娟玲,崔屾. 碳納米管/聚合物復(fù)合材料J. 化學(xué)進展, 2006,(10) . 2 溫軼,施利毅,方建慧,曹為民. 壓縮集結(jié)碳納米管電極對活性艷紅染料的電催化降解研究J. 化學(xué)學(xué)報, 2006,(05) . 3 張新榮,姚成漳,王路存,曹勇,戴維林,范康年,吳東,孫予罕. 甲醇水蒸氣重整制氫的高效碳納米管改性Cu/ZnO/Al_2O_3催化劑J. 化學(xué)學(xué)報, 2004,(21) . 4 唐文華,鄒洪濤,張艾飛,劉吉平. 碳納米管純化技術(shù)評價與研究進展J. 炭素, 2005,(03) . 5 陳燦輝,李紅,朱偉

11、,張全新. 二茂鐵及其與DNA復(fù)合物的電化學(xué)行為J. 物理化學(xué)學(xué)報, 2005,(10) . 6 方建慧,溫軼,施利毅,曹為民. 碳納米管電極電催化氧化降解染料溶液的研究J. 無機材料學(xué)報, 2006,(06) . 7 趙弘韜,張麗芳,張玉寶. 碳納米管純化工藝的研究J. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2008,(26) . 8 李權(quán)龍,袁東星. 多壁碳納米管用于富集水樣中有機磷農(nóng)藥殘留的研究J. 廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004,(04) .9 Chamber A,Nemes T,Rodriguez N M,et al. Catalytic be-havior of Graphite nanofib

12、er supported nickel parti-cles.1.Comparison with other support mediaJ .Phys ChemB, 1998, 102 (12) :2251-2258 . 10 Park C,Baker R T K. Catalytic behavior of graphite nanofibersupported nickel particles.2.The influence of the nanofiberstructureJ .Phys Chem B, 1998, 102 (26) :5168-5177 . 11 Park C,Bake

13、r R T K. Catalytic behavior of graphite nanofibersupported nickel particles.3.The effect of chemical blocking onthe performance of the systemJ .Phys Chem B, 1999, 103 (13) :2454-2460 . 12 Mestl G,Maksimova N I,Schlogl R. Catalytic activity ofcarbon nanotubes and other carbon materials for oxidative de-hydrogenation of ethylbenzene to styreneJ .Stud Sur SciCatal, 2001, 40 :2066-2072 . 13 Keller N,Maksimova N I,Roddatis V V,et al. The cata-lytic use of onion-like carbon