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1、第39卷分析化學(xué)(FENXIHUAXUE)研究報(bào)告第7期2011年7月ChineseJournalofAnalyticalChemistry994～997DOl：1o．3724／SP．J．1096．2011．00994大面積鉑一硅納米線陣列的制備及其在增強(qiáng)甲醇電催化氧化中的應(yīng)用曹林園L張寶華l，逯樂慧(中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所電分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022)(中國科學(xué)院研究生院，北京100039)摘要提出了一種室溫條件下構(gòu)筑鉑覆蓋硅納米線陣列的有效方法。通過將種子生長法和化學(xué)沉積技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，高質(zhì)量的鉑納米結(jié)構(gòu)被成功地構(gòu)筑在硅納米線陣列表面。采用掃描電鏡、X_射線衍射和電化學(xué)方
2、法對制備材料的形貌和性質(zhì)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：所沉積的鉑膜具有多孑L三維結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了一個放大的電化學(xué)活性面積，是相同幾何面積硅片電極的6．17倍。對于甲醇電氧化反應(yīng)，這種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的材料顯示出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，優(yōu)于鉑納米覆蓋的硅片電極。關(guān)鍵詞多孔鉑膜；硅納米線陣列；甲醇氧化1引言直接甲醇燃料電池(DMFc)因其體積小、低溫操作、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的能源電池]。目前，大部分甲醇燃料電池都采用穩(wěn)定性好、壽命長的鉑金屬材料作為陽極電催化劑。研究表明，載體對催化劑的形貌和性能會產(chǎn)生較大的影響嘲。但是常用的碳載體催化劑存在一些弊端，如金屬負(fù)載量低，分散性不高，金屬容易從其上面脫落
3、]。這些缺點(diǎn)會阻礙甲醇燃料電池的實(shí)際應(yīng)用。目前，許多研究者致力于研發(fā)新的載體，以提高催化劑的性能。Tiwari等以硅片為基底，在其上面沉積網(wǎng)狀鉑島，該材料對甲醇氧化顯示了良好的催化活性和高的抗CO毒化能力。與硅片相比，硅納米線不僅具有相同的物理性質(zhì)，還具有更大的比表面積和優(yōu)良的光、電性質(zhì)，這使得它被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、表面增強(qiáng)拉曼等領(lǐng)域11]。另外，成熟的硅加工技術(shù)使硅納米材料的制備變得更加簡單、可控”o】。因此，硅納米線與金屬納米粒子有機(jī)結(jié)合，將為硅納米材料的應(yīng)用探尋新的方向。本研究建立了制備高密度鉑覆蓋硅納米線陣列電催化劑的有效方法。硅納米線陣列不僅為金屬的沉積提供了較大的比表面積，而
4、且能夠作為一個較好的電流集電器。獨(dú)特的三維多孑L結(jié)構(gòu)也使得它的電化學(xué)活性面積得到了較大的提高。所制備的材料被用作甲醇氧化電催化劑，顯示了較高的電催化活性、穩(wěn)定性和良好的抗毒化性能。2實(shí)驗(yàn)部分2．1材料和試劑單晶硅片，L一抗壞血酸和3一氨基異丙基一三甲氧基硅烷(APTMS)，購于Sigma公司。氯金酸(HAuCI)、氯鉑酸(HPtC1)購于Alfa公司。其它試劑均為分析純。2．2制備鉑覆蓋的硅納米線陣列硅納米線陣列的制備參考了文獻(xiàn)[11]。鉑覆蓋的硅納米線陣列的制備步驟如圖1所示。首先，將硅納米線陣列浸入APTMS一甲醇(1：10，／)溶液中2h，進(jìn)行氨基化處理；將氨基化的硅納米線陣列浸入3n
5、m金納米膠體溶液中，通過靜電作用組裝金納米粒子；將組裝有金納米粒子的硅納米線陣列浸入鉑的反應(yīng)液(10mLl％HPtC1-2mL0．1mol／L抗壞血酸)中沉積鉑。在這個過程中，金納米粒子作為種子，加速PtCl~一離子與還原劑的反應(yīng)。這個策略能夠?qū)︺K的沉積進(jìn)行有效調(diào)控，使鉑在硅納米線上面201l一02-27收稿；201卜03—18接受本文系973項(xiàng)目(No．2010CB933600)，中國科學(xué)院“百人計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金(No．20873138)資助E—mail：lehuilu@eiac．j1．cr1．第7期曹林園等：大面積鉑一硅納米線陣列的制備及其在增強(qiáng)甲醇電催化氧化中的應(yīng)用995圖1
6、鉑覆蓋硅納米線陣列的制備過程Fig．1Fabricationprocessofplatinum-coatedsiliconnanowl‘rearrays(Pt／SiNWAs)實(shí)現(xiàn)均勻的生長。作為對比，用同樣的方法制備了鉑納米粒子覆蓋的硅片電極。2．3硅納米線陣列表征場發(fā)射掃描電鏡圖像是由FEI公司生產(chǎn)的XL30ESEMFEG型場發(fā)射掃描電鏡在15k．V的電壓下獲得。x射線衍射圖譜是在日本理學(xué)公司的RigakuD／Max2500型衍射儀獲得的，銅靶(CuKa，A一1．54056A)為輻射源，加速電壓和發(fā)射電流分別為40kV和200mA。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在CHI830B電化學(xué)分析儀(上海辰華公司)
7、所得。采用了傳統(tǒng)的三電極體系，即上述方法制備的鉑覆蓋的硅納米線陣列電極作為工作電極，自制的Ag／AgC1(飽和KC1)為參比電極，一個螺旋狀Pt絲為對電極。將一個設(shè)有直徑2．81Tim孔洞的塑料片固定在制備的材料上，固定工作電極的幾何面積是0．06cm。3結(jié)果與討論3．1鉑覆蓋的硅納米線陣列電極的性質(zhì)表征圖2A展示了在硅片上構(gòu)筑的硅納米線陣列的掃描電鏡圖。大面積的硅納米線被成功構(gòu)筑在基底硅片上。這些硅納米線長
