基本信息
- 项目名称：
- 银、金二十面体纳米粒子的水相制备及其优越的电催化氧气还原反应性能
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品设计了一步水相还原策略获得鲜有报道的银和金二十面体纳米粒子，并对其在燃料电池催化领域进行了系统研究。对于电催化ORR，它们都表现出优越的催化性能：与颗粒状的纳米粒子相比，氧气还原的超电位显著降低；还原峰电流明显提高；都具有良好的电催化稳定性；表现出与Pt/C催化剂相当的催化性能。因此，简便的制备和优异的电催化性能使得银和金的二十面体纳米粒子有望成为高效廉价的非铂燃料电池阴极催化剂。
- 详细介绍：
- 本作品发展了一步水相还原贵金属前躯体的策略来制备鲜有报道的银和金二十面体纳米粒子。采用投射电子显微镜和电化学工作站等现代测试方法系统地研究了其结构、生长过程和催化性能。 在制备方面，具有以下四个创新点： 1. 所制备的银和金二十面体纳米粒子的比例分别达到90%和95%。如此高产率的银二十面体纳米粒子还是第一次报道。另外，该方法同时适用于银和金两种贵金属二十面体纳米粒子的制备。 2. 该方法以水作为溶剂和反应介质，比多元醇体系更加绿色环保。 3. 整个制备过程中，没有杂质离子被引入反应体系，产物纯净，后处理方便。 4. 该方法不需要晶种的参与，从而制备过程更加简便。PVP（聚乙烯吡咯烷酮）充当还原剂和稳定剂的双重角色，成本得到降低。 对所制得的银和金二十面体纳米粒子进行了在燃料电池催化方面的应用研究。对于电催化氧气还原反应，与颗粒状的同种材料相比，它们都表现出以下三点明显的优势： 1. 氧气还原的超电位得到显著降低。与颗粒状的纳米粒子相比，超电位在银二十面体纳米粒子上降低了140mV，在金二十面体上降低了50mV。这些表明氧气在二十面体纳米粒子上更容易被还原。 2. 催化活性明显提高。对于银二十面体纳米粒子而言，氧气还原峰电流密度是颗粒状纳米粒子的1.5倍。同样，金二十面体纳米粒子的是颗粒状的1.6倍。 3. 银和金二十面体纳米粒子都表现出了很好的催化稳定性。值得一提的是，二十面体纳米粒子表现出了和Pt/C催化剂相当的催化活性和稳定性。氧气还原的峰电位几乎一致，Ag催化氧气还原峰电流更高。 因此，简便的制备和优异的电催化性能使得银和金的二十面体纳米粒子有望成为一种高效廉价的燃料电池阴极非Pt催化剂。 本工作在理论研究和应用领域都促进了纳米材料的发展，具有重要的科学意义。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- Pt作为燃料电池催化剂性能优越但价格昂贵，需寻找替代品。鲜有报道的二十面体纳米粒子催化性能优异，希望该结构相对廉价的银/金能实现部分替代Pt的使用。目前主要采用多元醇法制备，但该方法对环境不友好，制备繁杂，成本较高。 拟解决的科学问题和思路： 1.对环境友好：水相制备。 2.简化制备：一步完成，不引入杂质离子和晶种。 3.降低成本：PVP扮演稳定剂和还原剂双重角色。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品在方法学上设计一步水相还原策略来获得鲜有报道的银和金二十面体纳米粒子，并采用透射电子显微镜和电化学工作站等现代测试方法系统地研究了其结构、生长过程和催化性能。该工作具有制备方法简单、绿色环保、产率高和适合宏量制备等优势，所获得二十面体纳米粒子电催化氧气还原反应性能明显提高，有望成为廉价的非Pt碱性燃料电池阴极催化剂， 在理论研究和应用领域都促进了纳米材料的发展，具有重要的科学意义。
应用价值和现实意义
- 通过与Pt/C催化剂比较研究发现，银和金二十面体纳米粒子呈现出了与其相当的催化活性和稳定性，甚至在某些方面超过了Pt/C催化剂。并且，银和金相对于铂廉价易得。因此，它们有望取代铂催化剂而成为一种高效廉价的碱性燃料电池阴极催化剂。另外，基于二十面体这一特殊结构及其在燃料电池催化方面的研究进展，可以预言其在诸如有机催化，光学和电子学等其它领域也可能具有潜在的应用价值。
学术论文摘要
- In this paper, we successfully obtain uniform high-yield icosahedral Ag and Au nanoparticles through a facile one-pot seedless and water-based approach. As expected, they display excellent stability and much higher electrocatalytic activity than that of sphere-like ones. More importantly, they exhibit the comparative electrocatalytic activities toward Pt/C electrocatalyst. Therefore, the facile preparation and superior performance will make them available to a potential cathode electrocatalysts in alkaline fuel cell.
获奖情况
- 1.申报论文发表在国际著名期刊<Chemistry—A European Journal>（欧洲化学）上（影响因子：5.382）。 Long Kuai, Baoyou Geng*, et al., Chem. Eur. J. 2011, 17, 3482-3489. 2.该制备方法已经申请中国发明专利，专利公开号：CN 102019432 A。 3.本作品获第四届安徽省“挑战杯”合锻股份大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 另有相关工作以第一作者身份发表在英国皇家化学会著名期刊<Chemical Communicatios>（化学通讯）(影响因子：5.504）和美国化学会著名期刊<Langmuir>上（影响因子：3.898）。 4.Long Kuai, Baoyou Geng*, et al., Chem. Commun. 2011, 47, 6093-6095. 5.Long Kuai, Baoyou Geng*, et al., Langmuir 2010, 26, 18723-18727.
鉴定结果
- 所提供的信息真实有效。
参考文献
- [1]X. Wu, T. Ming, X. Wang, P. N. Wang, J. F. Wang, J. Y. Chen, ACS Nano 2010, 4, 113. [2]H. Zhang, X. H. Xia, W. Y. Li, J. Zeng, Y. Q. Dai, D. R. Yang, Y. N. Xia, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1. [3]J. S. Guo, A. Hsu, D. Chu, R. R. Chen, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 4324. [4]Y. Khalavka, J. Becker, C. Sönnichsen, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1871. [5]D. E. Charles, D. Aherne, M. Gara, D. M. Ledwith, Y. K. Gun’ko, J. M. Kelly, W. J. Blau, M. E. Brennan-Fournet, ACS Nano, 2010, 4, 55. [6]X. Q. Huang, N. F. Zheng, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4602. [7]Y. J. Xiong, I. Washio, J. Y. Chen, H. G. Cai, Z. Y. Li, Y. N. Xia, Langmuir 2006, 22, 8563. [8]A. Mohanty, N. Garg, R. C. Jin, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4962. [9]F. Kim, S. Connor, H. Song, T. Kuykendall, P. D. Yang, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 3673.
同类课题研究水平概述
- 贵金属纳米材料因其在燃料电池催化领域具有优异的催化性能而备受关注。到目前为止，大部分工作都致力于酸性燃料电池的研究，事实上碱性燃料电池在近十年来已经取得了突破性进展。与酸性燃料电池相比，碱性燃料电池具有更快的氧气还原动力学，并且一些非铂催化剂可以表现出不俗的催化活性。最近的研究报道已经表明相对丰富廉价的银有望取代铂作为碱性燃料电池的阴极催化剂，因为它通常具有良好的电催化性能。 众所周知，材料的性能与其尺寸和形貌息息相关，所以科研工作者一直都致力于各种形貌的贵金属纳米粒子的制备和性能研究。特别是具有多面体结构的贵金属纳米材料通常比其它形貌的同种材料在甲醇燃料电池领域中拥有更加优越的催化性能。其中，鲜有报道的二十面体结构的贵金属纳米粒子更加引人关注。因为其具有高的对称性，从而表现出卓越的催化性能。 在有限的报道中，主要还是采用多元醇法来制备二十面体的贵金属纳米粒子。有时候还要引入一些诸如Ag+, Cl-，S2-等离子或者预先准备的种子来诱导其生长。然而，该方法具有一些不可避免的缺陷：第一，多元醇对环境会造成一定程度的污染，不符合绿色化学的要求；第二，由于杂质离子的参与，产物中会有杂质存在，为产物的后处理带来不便；第三，由于需要预先制备晶种，使得制备过程复杂化，同时会由于晶种的不确定性导致制备过程的重现性较差；第四，该方法往往只适用于某一种贵金属二十面体纳米粒子的制备。第五，制备成本较高，不利于工业化生产。 因此，发展一种环保简单通用的策略来制备贵金属二十面体纳米粒子仍然是一个挑战。
