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发展高效、稳定的碳载金属纳米粒子(PtNPs/C)催化剂一直是燃料电池、电分析传感和电有机合成等领域的重点研究内容之一。近年来研究发现sp2杂化类型的各种碳材料的界面对催化剂的制备和性能有着极为重要的影响,但其中的内在联系尚未能很好的建立。 本论文通过发展电化学预处理方法,调控电化学基础研究中最常用的玻碳电极(GCE)的界面,系统地调查了玻碳电极界面变化对电沉积制备PtNPs及其催化氧化甲酸的活性和稳定性的影响及规律,以期为制备高效、稳定的碳载金属纳米粒子催化剂提供理论和实验依据。 本论文的第三章,首先,采用Raman、XPS和SEM等技术,对经机械抛光(bare GCE),再经恒电位(PGCE)或循环电位(CGCE)活化处理后的三种玻碳电极界面进行了系统表征,结果表明: 1)bare GCE表面由含有较多低活性基面缺陷位点(defects on basal plane)的碳微晶构成; 2)循环活化处理是一种弱腐蚀方法,不能有效地去除微晶表面在阳极极化过程中不断产生的含氧基团,致使微晶表面最终形成一层结构紧密的碳氧化层; 3)恒电位活化作为一种强腐蚀方法,能有效地去除含氧基团,使微晶被有效地腐蚀并形成较大的空隙,在电极表面形成一层结构疏松、含有较多端面活性点(edge steps)的碳氧化层。 其次,采用了多种电化学方法,系统调查了三种玻碳电极界面对PtNPs电沉积制备的影响及规律,并发展了一种多阶跃电沉积新方法,在三种玻碳电极表面均可制备出尺寸分布窄、覆盖密度高的PtNPs,其中的关键是:采用较高的沉积过电位消除基面缺陷位点和结构紧密的碳氧化层对金属铂成核反应的电化学惰性;并且,在单次脉冲中采用较短的沉积时间以减弱金属铂团蔟的位移和团聚现象。 在论文的第四章中,对三种PtNPs/GCEs电催化氧化甲酸的活性和稳定性进行了系统表征。新制的PtNPs/CGCE表现出极为优异的催化活性,与电极表面结构紧密的碳氧化层直接相关。经在甲酸溶液中催化氧化300个循环后,原先沉积的PtNPs中的绝大部分仍保留在三种电极表面上,但PtNPs/bare GCE的催化氧化电流已减小了约一个数量级,而此时PtNPs/CGCE和PtNPs/PGCEs的催化氧化电流与新制的PtNPs/PGCEs的相同,证明在bare GCE、CGCE和PGCE表面上PtNPs的稳定性依次增加。 玻碳电极界面对PtNPs催化性能的影响涉及如下几个方面: 1)采用相同的电沉积方法在bare GCE、CGCE和PGCE表面上制备PtNPs,其形状结构的有序程度依次增加; 2)随着对甲酸催化氧化的进行,在bare GCE、CGCE和PGCE表面上的PtNPs的晶面结构变化程度依次减小; 3)bare GCE表面发生腐蚀的特征是电极的背景电流增大,而CGCE和PGCE腐蚀的特征则是电极表面氧化还原性含氧基团增加,与此相对应的是bare GCE表面上的PtNPs发生脱落,表面粒子密度减小,而CGCE和PGCE表面上的PtNPs的尺寸减小,但表面粒子密度增大,说明活化处理增强了玻碳表面对PtNPs的附着性。