学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

钯镍合金纳米结构的制备及氢敏性能的研究

作　者: 司薇薇
导　师: 余刚
学　校: 湖南大学
专　业: 物理化学
关键词: 钯镍合金纳米粒子/线/膜制备机理氢传感性能
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 219次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

纳米结构的材料因其具有独特的光学、电学、催化特性及良好的生物相容性,近年来在电子设备和传感器等许多领域得到广泛研究与应用。随着研究的发展,纳米结构材料的制备方法越来越多,本文重点综述了模板法、自组装法、气相法和电沉积法制备纳米材料的进展。氢气传感器是纳米材料应用的一个重要领域,本文着重介绍了基于金属、合金、金属氧化物和半导体纳米结构的氢传感器。其中钯基纳米级传感器因其体积小、能在高压环境中使用和不受环境限制等优点成为氢传感材料中使用较广和研究较深入的传感器之一。而纯钯的缺陷,如在氢气中易于形变和相变,促使我们去研究钯基合金氢敏材料,如钯镍合金纳米结构。这种材料的耐久性、快速响应能力、不易形变和相变及抗H2S毒化能力使它成为制备高性能氢传感器的重要材料之一。成分和形貌可控的钯镍合金纳米线可通过电沉积法在高定向石墨模板上制备。为了便于组装氢传感器又在柔韧的聚丙烯腈碳纤维表面制备了钯镍合金纳米粒子和纳米膜,并采用交流电沉积法在金/微电极上制备出钯镍合金枝状纳米线。应用扫描电子显微镜、X-射线能谱仪和X-射线衍射仪等测试手段对沉积物的形貌、结构和合金成分进行表征,描述了三种制备方法的沉积过程。将所得的钯镍合金纳米结构组装成氢传感器,进行传感性能检测。应用电化学工作站在纳米结构的两端施加5mV的恒定电压来检测氢气对该传感器响应信号的影响,检测了各种纳米结构的钯镍合金氢传感性能。研究获得的结论如下：(1)在组分为70mmol·dm-3Pd(NH3)4Cl2+30mmol·dm-3NiSO4+0.2mol·dm-3NH4Cl, pH8.5的电解液中,采用电化学阶边精饰法在新鲜剥开的高定向石墨台阶边上成功制备了钯镍合金纳米线阵列。经XRD谱图分析,所得纳米线有合金程度高的面心立方结构的Pd-Ni合金组织,其主要的晶面类型为{111}晶面族。(2)调节形核及生长过程的电沉积参数可控制纳米线的直径、成分和形貌。形核过程对纳米线沉积速率的影响远大于生长过程对它的影响。当沉积电势范围在-0.35—-0.88VSCE之间,得到的沉积物中Ni的含量在8—15Wt%内。一般纳米线的生长电势控制在--0.35—--0.5VSCE的范围内,所得纳米线平滑连续。使用低浓度电解液(7mmol·dm-3Pd(NH3)4Cl2+3mmol·dm-3NiSO4+0.2mol·dm-3NH4Cl, pH8.5)可以得到直径小于100nm的更为精致的Pd-Ni合金纳米线。(3)聚丙烯腈碳纤维表面的最佳前处理工艺为：在400℃下去胶60min；除油液中超声清洗30min;40℃下粗化60min。经过去胶、除油、粗化处理后,碳纤维表面更适合作为电沉积基底。(4)在碳纤维上采用单脉冲法可得到钯镍合金纳米粒子,且纳米粒子的密度随着沉积电势的升高而增加。采用三脉冲法可合成钯镍合金纳米膜。沉积电势在-0.48--1.04VSCE之间得到的这两种纳米结构中的镍含量在8—15wt%之间。(5)当采用组分为3mmol·dm-3Pd(NH3)4Cl2+7mmol·dm-3NiSO4+0.2mol·dm-3NH4Cl,pH8.5的电解液,室温下,施加电压为13VPP先在300Hz下沉积5s,后在300kHz下沉积10mn,可以得到直径约为300nm、镍含量在8—15wt%范围内的钯镍合金枝状纳米线。(6)碳纤维上的纳米膜、纳米粒子和微电极上的枝状纳米线均可成功地组装成氢传感器。碳纤维上纳米膜传感器灵敏度在氢浓度为0—2.8%和3.6-6%之间随氢浓度升高而升高,但氢浓度在2.8—3.6%之间时,随氢浓度升高而降低。纳米粒子传感器的灵敏度在氢浓度范围为0-%时随浓度上升而持续上升。随氢浓度的升高,传感器的响应时间缩短,而恢复时间延长。交流电沉积自组装枝状纳米线组装的氢传感器灵敏度高,响应速度和恢复速度很快。纳米粒子传感器比纳米膜传感器的灵敏度高。当含有氧气的空气作载气时,传感器电流快速回复至基线值附近。(7)氢气与钯镍合金纳米结构作用的过程为表面化学吸附→表层渗透→体内扩散→脱附,且为吸附-溶解-扩散-重新结合为氢分子-逸出的作用机理。碳纤维上的钯镍合金纳米膜和纳米粒子传感器,对氢的响应电流与钯合金体积的膨胀、钯氢化合物的形成及合金/纤维界面能障的改变这三者的综合效应有关；交流电沉积自组装合金纳米线组装的氢传感器,对氢的响应电流只取决于纳米线体积的膨胀和钯氢化合物的形成两个因素。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-35
  1.1 纳米结构材料的概述  13-14
  1.2 金属纳米线及其阵列体系制备的研究进展  14-25
    1.2.1 模板法制备金属纳米线及其阵列的研究进展  14-23
    1.2.2 微电极交流电自组装技术制备金属纳米线  23-25
  1.3 金属纳米膜制备的研究进展  25-27
    1.3.1 气相法制备金属纳米膜  25-26
    1.3.2 电沉积法制备金属纳米膜  26
    1.3.3 自组装技术制备金属纳米膜  26-27
  1.4 基于纳米结构的氢气传感器  27-32
    1.4.1 基于金属和合金纳米结构的氢传感器  27-31
    1.4.2 基于金属氧化物和半导体材料纳米结构的氢传感器  31-32
  1.5 研究意义与研究内容  32-35
第2章电化学阶边精饰法制备钯镍合金纳米线  35-55
  2.1 实验材料与实验方法  35-40
    2.1.1 实验材料与试剂  35-36
    2.1.2 实验装置与电极制备  36-38
    2.1.3 HOPG上合成纳米线的方法  38-39
    2.1.4 纳米线的表征手段  39-40
  2.2 钯镍共沉积的电化学行为及成分和相结构分析  40-53
    2.2.1 Pd-Ni合金电解液的循环伏安分析  40-42
    2.2.2 钯镍合金的成分控制  42-43
    2.2.3 钯镍电沉积物的晶相结构分析  43-44
    2.2.4 形核和生长过程中纳米线的尺寸控制  44-49
    2.2.5 纳米线制备的成功率  49-51
    2.2.6 退火对纳米线的影响  51-52
    2.2.7 电解液浓度对纳米线合成的影响  52-53
  2.3 本章小结  53-55
第3章碳纤维上电沉积钯镍合金纳米膜和纳米粒子  55-67
  3.1 实验材料与实验方法  55-57
    3.1.1 实验试剂与仪器设备  55
    3.1.2 碳纤维及其前处理方法  55-57
    3.1.3 钯镍合金纳米结构的制备方法  57
  3.2 碳纤维前处理及表面性能分析  57-61
  3.3 电解液的循环伏安分析  61-62
  3.4 钯镍合金纳米结构成分的控制  62-63
  3.5 单脉冲法在碳纤维上制备钯镍合金纳米粒子  63-65
  3.6 三脉冲法在碳纤维上制备钯镍合金纳米膜  65-66
  3.7 本章小结  66-67
第4章微电极交流电沉积自组装钯镍合金纳米线  67-76
  4.1 实验材料与方法  67-69
    4.1.1 实验材料  67
    4.1.2 微电极的制备方法  67-68
    4.1.3 交流电沉积自组装纳米线的装置  68-69
  4.2 电解液对钯镍合金枝状纳米线的成分和形貌的影响  69-70
  4.3 交流电沉积时间对钯镍合金枝状纳米线成分的影响  70-71
  4.4 施加电压和频率对钯镍合金枝状纳米线成分的影响  71-72
  4.5 交流电沉积自组装的工艺参数确定  72-74
  4.6 交流电沉积自组装的机理分析  74-75
  4.7 本章小结  75-76
第5章钯镍合金纳米结构的氢传感性能  76-94
  5.1 氢传感性能检测装置与实验方法  77-78
    5.1.1 氢传感性能检测装置  77-78
    5.1.2 纳米结构的氢传感性能的表征方法  78
  5.2 钯镍合金纳米膜/粒子传感器的性能  78-84
  5.3 交流电沉积自组装纳米线的氢传感性能  84-85
  5.4 三种氢传感器性能的比较  85-86
  5.5 钯镍合金纳米结构的吸氢动力学及传感机理  86-93
    5.5.1 钯镍合金纳米结构的吸氢动力学机理  86-91
    5.5.2 钯镍合金纳米结构的氢传感机理  91-93
  5.6 本章小结  93-94
结论  94-96
参考文献  96-110
附录A 攻读学位期间发表和整理的论文  110-111
致谢  111-112
后记  112-113

钯镍合金纳米结构的制备及氢敏性能的研究

内容摘要

全文目录

相似论文