碳微球负载钌纳米颗粒复合材料的化学镀制备

碳微球负载钌纳米颗粒复合材料的化学镀制备*

金 琳1,2,刘旭光1,3,杨永珍1,2,许并社1,2

(1 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室,太原030024;2 太原理工大学材料科学与工程学院,太原030024;

3 太原理工大学化学化工学院,太原030024)

摘要 以碳微球(CM Ss)为研究对象,首先通过不同的氧化方法对CM Ss 进行表面改性,再利用SnCl 2敏化溶液对改性CM Ss 进行敏化,最后采用化学镀的方法制备Ru 纳米颗粒/碳微球(Ru/CM Ss)复合材料。考察了不同改性方法和敏化液用量对CM Ss 表面化学镀Ru 的影响。采用场发射扫描电子显微镜、X 射线衍射、X 射线光电子能谱、热重分析和红外光谱等对产物的结构和形貌进行了表征和分析。结果表明,经400 空气氧化改性后的CM Ss 制备出的Ru/CM Ss 样品纳米金属粒子均匀细小且加载率也较高;在其它条件不变的情况下,经0.5mo l/L 敏化液敏化处理制备的Ru/CM Ss 样品形貌最好,约15nm 的钌纳米颗粒均匀地加载到碳微球表面。

关键词 碳微球 改性 敏化 化学镀 钌

Electroless Preparation of Ru/CMSs C omposite

JIN Lin 1,2,LIU Xug uang 1,3,YANG Yongzhen 1,2,XU Bing she 1,2

(1 K ey L abor ator y of I nter face Science and Eng ineering in Advanced M ater ials o f M inistr y of Education,T a iyuan U niversit y

of T echnolo gy ,T aiyuan 030024;2 Co lleg e of M at erials Science and Eng ineering ,T aiyuan U niversity of T echnolog y,T aiy uan 030024;3 Co llege o f Chemistr y and Chemical Engineer ing,T aiy uan U niver sity of T echno lo gy ,T aiyuan 030024)

Abstract T he mo dif ied carbon microspheres(CM Ss)are sensitized in SnCl 2solut ion,then Ru nanoparticles ar e deposited on the sur faces of activ at ed CM Ss by electro less plat ing.T he influence of modificatio n methods and the con tents of SnCl 2on the pro ducts ar e investigated.T he mo rpholo gy and str ucture of the samples ar e character ized by field emission scanning electr on micro sco py ,X r ay diffraction,X r ay pho toelectr on spectro sco py,thermo gr avimet ry and fourier transfor m infrar ed spectr oscopy.T he results sho w that R u nano par ticles are homog eneo usly lo aded o n the sur face of CM Ss ox idized by air ,and unifo rm Ru nano par ticles with about 15nm ar e o btained o n the surface o f CM Ss deal ing w ith 0.5mmo l/L SnCl 2w hen other par amet ers are unchanged.

Key words carbon micr ospher es,modification,sensitization,electro less plating,Ru

*国家自然科学基金(209761094);科技部国际科技合作项目(2007DF A50940);山西省国际科技合作项目(2009081018);山西省

留学人员科研项目(2008 31);山西省自然科学基金(2009011012 4)

金琳:女,1981年生,硕士研究生,主要从事碳材料研究 许并社:通讯作者 E mail:xubs@t

0 引言

燃料电池是一种对环境友好的能量转化电池,直接甲醇燃料电池(DM FC)因具有能量转化效率高、无污染、无噪音、能量密度高和燃料携带补充方便等优点而备受关注[1],而作为其催化剂载体关键材料之一的纳米碳材料也随之备受瞩目,其中碳载体对提高电催化剂的活性及稳定性起着很重要的作用。碳微球(CM Ss)以其良好的导电导热性能、化学及热稳定等特性而成为燃料电池电催化剂的重要载体材料,但由于其化学活性低且不溶于水和有机溶剂,使其实际应用在很大程度上受到限制。实际制备的纳米碳材料不可避免地带有一些缺陷,而缺陷端口处的碳原子具有较强的化学活性,使其表面改性成为可能。对碳材料的表面进行改性一般采用化学方法[2],主要分为以下3类:(1)液相氧化法,即利用氧化性酸对碳的氧化反应处理碳材料引入活性基团,包括

H NO 3[3]、H 2O 2[4]、K 2Cr 2O 7/H 2S O 4[5]、H N O 3/H Cl [6]等氧化性酸以及多种酸混合物的氧化;(2)气体氧化法[7],即用高温氧化的方法向碳表面引入含氧官能团,使其具有反应活性;(3)非共价化学改性,即将碳材料与高分子进行复合,先将碳材料分散在水(多数用的是表面活性剂水溶液,如十二烷基磺酸钠等)或有表面活性的高分子中,再与高分子进行复合[8]。本实验主要选用气体氧化法和液相氧化法对CM Ss 表面进行化学改性,之后采用化学镀的方法制备Ru/CM Ss 复合材料。

金属纳米颗粒因其极小的尺度而具有许多独特的性能,但由于较高的比表面能,金属纳米粒子体系又具有很强的团聚趋势。一旦发生团聚,金属纳米粒子体系就失去了纳米粒子体系所具有的独特性能,从而也失去了实际应用价值。因此,如何防止其团聚是金属纳米粒子体系研究的一个热点。目前,主要通过加入稳定剂来稳定金属纳米粒子,阻止团聚,

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