大面积铂-硅纳米线阵列的制备及其在增强甲醇电催化氧化中的应用.pdf

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1、第39卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第7期2011年7月ChineseJournalofAnalyticalChemistry994～997DOl：1o．3724／SP．J．1096．2011．00994大面积铂一硅纳米线阵列的制备及其在增强甲醇电催化氧化中的应用曹林园L张宝华l，逯乐慧(中国科学院长春应用化学研究所电分析国家重点实验室，长春130022)(中国科学院研究生院，北京100039)摘要提出了一种室温条件下构筑铂覆盖硅纳米线阵列的有效方法。通过将种子生长法和化学沉积技术的有机结合，高质量的铂纳米结构被成功地构筑在硅纳米线阵列表面。采用扫描电镜、X_射线衍射和电化学方

2、法对制备材料的形貌和性质进行了表征。结果表明：所沉积的铂膜具有多孑L三维结构，展现了一个放大的电化学活性面积，是相同几何面积硅片电极的6．17倍。对于甲醇电氧化反应，这种具有独特结构的材料显示出优异的催化活性和稳定性，优于铂纳米覆盖的硅片电极。关键词多孔铂膜；硅纳米线阵列；甲醇氧化1引言直接甲醇燃料电池(DMFc)因其体积小、低温操作、性能可靠等优点，被认为是最有前途的能源电池]。目前，大部分甲醇燃料电池都采用稳定性好、寿命长的铂金属材料作为阳极电催化剂。研究表明，载体对催化剂的形貌和性能会产生较大的影响嘲。但是常用的碳载体催化剂存在一些弊端，如金属负载量低，分散性不高，金属容易从其上面脱落

3、]。这些缺点会阻碍甲醇燃料电池的实际应用。目前，许多研究者致力于研发新的载体，以提高催化剂的性能。Tiwari等以硅片为基底，在其上面沉积网状铂岛，该材料对甲醇氧化显示了良好的催化活性和高的抗CO毒化能力。与硅片相比，硅纳米线不仅具有相同的物理性质，还具有更大的比表面积和优良的光、电性质，这使得它被广泛应用于太阳能电池、表面增强拉曼等领域11]。另外，成熟的硅加工技术使硅纳米材料的制备变得更加简单、可控”o】。因此，硅纳米线与金属纳米粒子有机结合，将为硅纳米材料的应用探寻新的方向。本研究建立了制备高密度铂覆盖硅纳米线阵列电催化剂的有效方法。硅纳米线阵列不仅为金属的沉积提供了较大的比表面积，而

4、且能够作为一个较好的电流集电器。独特的三维多孑L结构也使得它的电化学活性面积得到了较大的提高。所制备的材料被用作甲醇氧化电催化剂，显示了较高的电催化活性、稳定性和良好的抗毒化性能。2实验部分2．1材料和试剂单晶硅片，L一抗坏血酸和3一氨基异丙基一三甲氧基硅烷(APTMS)，购于Sigma公司。氯金酸(HAuCI)、氯铂酸(HPtC1)购于Alfa公司。其它试剂均为分析纯。2．2制备铂覆盖的硅纳米线阵列硅纳米线阵列的制备参考了文献[11]。铂覆盖的硅纳米线阵列的制备步骤如图1所示。首先，将硅纳米线阵列浸入APTMS一甲醇(1：10，／)溶液中2h，进行氨基化处理；将氨基化的硅纳米线阵列浸入3n

5、m金纳米胶体溶液中，通过静电作用组装金纳米粒子；将组装有金纳米粒子的硅纳米线阵列浸入铂的反应液(10mLl％HPtC1-2mL0．1mol／L抗坏血酸)中沉积铂。在这个过程中，金纳米粒子作为种子，加速PtCl~一离子与还原剂的反应。这个策略能够对铂的沉积进行有效调控，使铂在硅纳米线上面201l一02-27收稿；201卜03—18接受本文系973项目(No．2010CB933600)，中国科学院“百人计划项目和国家自然科学基金(No．20873138)资助E—mail：lehuilu@eiac．j1．cr1．第7期曹林园等：大面积铂一硅纳米线阵列的制备及其在增强甲醇电催化氧化中的应用995图1

6、铂覆盖硅纳米线阵列的制备过程Fig．1Fabricationprocessofplatinum-coatedsiliconnanowl‘rearrays(Pt／SiNWAs)实现均匀的生长。作为对比，用同样的方法制备了铂纳米粒子覆盖的硅片电极。2．3硅纳米线阵列表征场发射扫描电镜图像是由FEI公司生产的XL30ESEMFEG型场发射扫描电镜在15k．V的电压下获得。x射线衍射图谱是在日本理学公司的RigakuD／Max2500型衍射仪获得的，铜靶(CuKa，A一1．54056A)为辐射源，加速电压和发射电流分别为40kV和200mA。电化学实验结果在CHI830B电化学分析仪(上海辰华公司)

7、所得。采用了传统的三电极体系，即上述方法制备的铂覆盖的硅纳米线阵列电极作为工作电极，自制的Ag／AgC1(饱和KC1)为参比电极，一个螺旋状Pt丝为对电极。将一个设有直径2．81Tim孔洞的塑料片固定在制备的材料上，固定工作电极的几何面积是0．06cm。3结果与讨论3．1铂覆盖的硅纳米线阵列电极的性质表征图2A展示了在硅片上构筑的硅纳米线阵列的扫描电镜图。大面积的硅纳米线被成功构筑在基底硅片上。这些硅纳米线长