AuNPs/Au电极在不含CO(a)和含饱和CO(b)的KOH溶液中的循环伏安图
因为金本身电离势很高, 难以失去电子发生化学反应,所以金被认为具有较高的化学惰性. 此外, 与惰性金属Pt不同, 吸附在金表面的H2, O2等小分子难以活化分解, 因而长期以来, 人们一直认为金不具有催化活性. 但是近年来的研究发现, 当粒径小于10 nm的金粒子被分散在金属氧化物基底上时, 对CO表现出了很高的催化氧化活性. 金纳米粒子(Au Nanoparticles, AuNPs)这一独特的性质预示着其在CO的催化氧化、CO传感器、燃料电池、耐CO中毒催化剂的研制等许多方面都有着广阔的应用前景, 这也促使有关AuNPs催化活性的理论及应用研究成为催化化学的热点之一.
近年来, 已有很多关于AuNPs催化氧化CO的研究报道, 但值得注意的是这些研究大都集中于气相体系下气-固界面的催化过程, 对液相体系下粒子催化活性的关注很少. 毫无疑问开展液相中 AuNPs对CO电化学催化氧化行为的研究不仅对揭示尚无定论的催化机理非常有益, 同时也对燃料电池中催化剂CO中毒问题提供可能的解决途径. 2000年, Maye等用循环伏安法(Cyclic voltammetry, CV)研究了包裹双硫醇分子层的AuNPs在碱性溶液中对CO的电化学催化氧化行为, 发现尽管包裹了硫醇分子层, AuNPs仍具有良好的催化活性. McFarland等将共聚物胶束包裹的AuNPs铺展在导电玻璃基底, 当用氧等离子体除去包裹层 后, AuNPs对CO表现出了很高的电化学催化氧化活性. 另外他们还讨论了AuNPs的粒径对催化活性的影响. 上述工作均在粒径小于6 nm的AuNPs上进行的, 这可能是因为气-固界面的催化研究已经发现粒径大于10 nm的 AuNPs基本没有催化活性. 然而以溶液相为工作环境的电化学体系与气-固界面催化体系有诸多不同, 如可以通过调节电极电势来改变 AuNPs表面的状态, 因此有必要对较大粒径(＞10 nm) AuNPs的电催化活性进行研究.
北京航空航天大学材料科学与工程学院应用化学系刁鹏等人研究了组装在Au, Pt电极表面的金纳米粒子对CO的电化学催化氧化行为, 首次在实验上观察到较大粒径金纳米粒子(粒径＞10 nm)对CO的电催化氧化活性. 考察了金粒子表面金氧化物对粒子电催化活性的影响, 发现表面金氧化物的形成是金纳米粒子对CO具有电催化氧化活性的前提. 对于相同粒径的金纳米粒子, 随着粒子表面金氧化物量的增加，催化活性增大.