低维金属及合金纳米晶的液相合成与性能研究

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金属纳米材料在催化、电化学、新能源、光学、医药和电子等方面具有优异的性能,近年来引起了研究者的广泛关注。低维金属纳米材料的表面积与体积之比巨大,能暴露出更多的原子与反应位点,因而在反应中具有强大的优势。金属纳米材料的尺寸、形貌、组成与结构等决定其性能和应用,因而其可控制备就显得至关重要。本文通过在液相强还原体系下使用剪切辅助的方法,实现了室温下无表面活性剂条件下零维合金纳米颗粒的合成,进一步改变合金组分,成功制备了高熵合金纳米颗粒并将其用作水分解析氢反应的催化剂,取得了优异的电化学性能。在此基础上,撤去剪切力的辅助作用,在静置过程中使用液态钾钠合金作为软模板和还原剂合成了二维金属纳米片,具体研究内容如下:1、提出了一种室温下剪切辅助无表面活性剂液相合成合金纳米晶的新方法。该方法制备的合金纳米颗粒均匀分散在碳载体表面,并且可以通过改变反应时间和还原剂的量来控制粒径大小。制备的合金纳米颗粒的粒径均一,粒径尺寸可以控制在3纳米左右。通过该方法成功合成了碳负载Pt-Cu二元合金以及Pt-Cu-Fe三元合金催化剂,将其用于电催化析氢反应时,能够获得较好的电化学性能和稳定性。Pt-Cu-vxc72复合材料在电流密度达到10 mA cm-2时其过电势仅为17 mV,对应的Tafel斜率为22 mV/dec,优于商业Pt/C催化剂。2、通过将剪切辅助还原法扩展到更多元(>3元)的合金合成中,提出了一种高熵合金纳米晶的室温液相合成方法。在这种方法中多种还原电势不同的金属被还原成为合金从而实现了元素成分的调控。这在高熵合金纳米晶的合成方法的探索中有重要的意义。将合成的高熵合金用作析氢反应催化剂时,制备的Pt-Pd-Au-Ag-Ru-Rh-Ce-vxc72复合材料在仅需28 mV过电位时可以达到10 mA cm-2的电流密度,即低铂状态下得到较高的催化活性。3、提出了一种二维金属纳米片的液相合成方法。使用液态钾钠合金作为还原剂和生长模板,采用溶剂热的方法,设计合成了厚度仅有1.5 nm的超薄二维金属Bi纳米片。探究了在不同前驱体浓度、还原温度及反应时间条件下纳米片的形貌和结构变化。并将该合成方式扩展到更多金属纳米片的制备过程中,并成功制备了较薄的Au和Pt纳米片,使得该方法有望成为一种通用的合成金属二维纳米片的方法。
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