基于Ti-Cu系非晶合金纳米多孔材料的制备及催化性能研究

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纳米多孔金属材料不同于传统泡沫金属材料,纳米尺度的孔径结构赋予其大的内比表面积、高活性、高能量密度等特性,在光催化降解、电催化氧化、电极材料、生物传感器等领域具有广阔的应用前景。目前纳米多孔金属材料的制备方法主要为模板法和脱合金法。不同于前者对模板的严重依赖,脱合金法具有操作简单、成本低、孔径可调等优势。非晶态合金因其成分均匀可调、无晶体缺陷被认为是制备纳米多孔金属材料的理想前驱体。但脱合金法制备的纳米多孔金属材料通常易脆、机械性差,这严重限制了其进一步应用。因此研究脱合金制备过程及影响因素,制备具有机械完整性的纳米多孔金属材料具有重要意义。此外,研究以纳米多孔金属材料为基体的复合材料,可为进一步拓宽纳米多孔金属材料的功能性应用提供技术基础与理论依据。本论文以Ti50Cu50非晶合金为前驱体,通过化学脱合金法制备纳米多孔铜(np-Cu)。分别研究了脱合金试剂浓度、温度和时间等因素对孔径结构、多孔层厚度的影响规律。结果表明脱合金试剂为0.03 M HF、温度为20℃、时间为12 h条件下可制备出兼具双连续多孔结构和良好机械完整性的非晶基体为支撑的np-Cu复合材料。以上述脱合金产物为阳极,0.2 M KOH碱液中通过一步阳极氧化法在np-Cu表面原位制备出铜基氧化物纳米矩阵,并研究氧化电压、时间对铜基氧化物微观结构的影响机制。纳米结构的铜基氧化物因其无毒、易合成等优点,被认为是一种较理想的光催化剂材料,因此可将“脱合金+阳极氧化”工艺得到的具有三明治结构的np-Cu/CuxO复合材料用于光催化降解有机染料研究。结果表明恒压0.6 V、阳极氧化1 h条件下得到的np-Cu/CuxO(x=1,2)复合材料具有最为优异的光催化性能和循环稳定性。改变阳极氧化工艺中KOH浓度为0.5 M,恒压0.6 V下氧化1 h在np-Cu表面原位得到Cu(OH)2纳米线团簇。这种以非晶基体为支撑的np-Cu/Cu(OH)2复合材料可独立作为电催化氧化无酶-葡萄糖的工作电极,具有优异的电催化活性和高灵敏度。在Ti-Cu合金基础上添加元素Ni,制备出Ti50Cu45Ni5非晶合金。以其为前驱体,在0.03 M HF溶液中、恒温20℃下脱合金12 h得到孔径为9.4 nm的超细np-Cu(Ni),可知Ni的添加显著细化了孔径尺寸。进一步在0.5 M KOH碱液中,恒压0.3 V阳极氧化1 h得到了超细Cu(OH)2纳米线团簇。该复合电极的电催化氧化性能得到显著增强,具有1.2418 m Acm-2·m M-1的高灵敏度、0.05-6.05 m M的宽线性检测范围及优异的运行稳定性。
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