不同生长阶段下样品的TEM照片
燃料电池是能源科学的一个重要研究领域. 纳米科技的发展为燃料电池催化剂的发展注入了新的血液. 研究表明: 粒子尺寸效应、催化剂与基底的相互作用对许多异相催化反应的反应速率和选择性有着重要的影响. 因此, 研究这些效应是提高催化剂的活性和选择性的重要途径. 许多研究报道了负载在金属氧化物、硅片、二氧化硅等载体上的金属粒子的催化行为, 并且发现在上述基底表面上的—OH基团能够有效地弱化催化剂的毒化效应,提了高催化剂的性能. 但是制备有效的催化剂以避免催化剂的毒化和团聚仍然是当前研究的一个重要挑战.
研究表明: 核壳粒子不仅尺寸可调, 而且具有抗团聚和抗毒化的能力, 有望成为新一代催化剂. 很多研究集中在金属表面上包覆SiO2壳以防止粒子团聚, 但合成核壳SiO2/M(M=Au, Ag, Pt, Pd等)粒子的报道却很少见. 如果单分散SiO2粒子被用作核来负载活性金属纳米微粒形成核壳SiO2/M粒子, SiO2表面固有的—OH有助于提高金属纳米微粒的催化性能.
CO是有机小分子在Pt族金属电极上氧化的主要中间产物, 造成催化剂严重中毒. 为了提高燃料电池的性能, 研究CO的电氧化和吸附行为是至关重要的. CO在电极表面的吸附与很多因素有关, 如粒子尺寸和形状, 粒子在电极基底的排布形式以及CO的表面覆盖度. 在纳米结构表面上吸附CO的异常红外光谱效应就是一个典型的例子,IR吸收带发生倒反、带宽增加以及强度增强, 这完全不同于CO在本体Pt族催化剂上的吸附行为. 近来, 广泛被认可的一个观点就是高度分散的Pt纳米微粒能够提供好的催化反应性和弱化毒化效应.就核壳SiO2/Pt粒子而言, 固定在Pt上纳米微粒在催化过程中不易发生团聚, 能够提供长期的催化稳定性.
厦门大学化学化工学院化学系孙世刚等人采用层层组装法合成了核壳SiO2/Pt粒子, 用电化学循环伏安法(CV)和原位电化学傅里叶变换红外(FTIR)光谱研究了 SiO2/Pt粒子对CO分子的氧化和吸附行为. 透射电子显微研究表明: 包覆SiO2的Pt壳是由团聚的Pt纳米微粒构成, 其平均厚度大约为26 nm. CO在SiO2/Pt粒子修饰的玻碳(GC)电极上的主氧化峰为0.49 V(vs SCE), 表现出比本体Pt金属好的催化性能. 电化学FTIR光谱研究发现: 线性CO在SiO2/Pt粒子上的IR吸收带的方向发生倒反, 而且在不同的研究电位下, 每个吸收带劈裂为两个间隔约为14 cm-1的吸收带, 这种劈裂现象在饱和吸附CO的Pt金属表面上是很难观察到的. 这些异常的红外吸收现象可能是由SiO2/Pt粒子的结构效应导致的。