Citrate、CTAB和PVP在Pt单晶电极表面吸附过程的循环伏安和原位红外光谱研究

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本论文运用电化学循环伏安、原位红外反射光谱等方法研究了酸性介质中结构调控功能分子(Citrate、CTAB、PVP)在Pt单晶电极表面的吸附特性,着重探讨其在贵金属纳米催化剂合成中具体作用的机理。取得的主要结果如下:  1、柠檬酸根吸附特性的研究:在Pt(100)电极上,循环伏安测试表明,柠檬酸根的吸附使氢在Pt(100)长程有序结构的峰电流增大且峰电位负移,同时柠檬酸根的吸附可以稳定Pt(100)长程有序结构,使其在更高的电位(正移200 mV)才被扰乱。低电位区间柠檬酸根在基础晶面电极的吸附使氢的吸脱附电量发生变化:Pt(100)上增加20%左右,Pt(111)上增加13%左右,而Pt(110)上反而减少8%左右。电化学原位红外光谱研究提出,在Pt单晶电极上柠檬酸根是以羧酸根桥式形式吸附在电极表面,吸附量随电极电位的升高而增多。测得吸附态物种红外谱峰随电位变化的Stark系数次序为:Pt(111)(22 cm-1·V-1)>Pt(100)(21 cm-1·V-1)>Pt(110)(13 cm-1·V-1)。柠檬酸根在低电位区间易解离产生CO吸附在电极表面,CO谱峰强度顺序是: Pt(110)>Pt(111)>Pt(100),在Pt(110)电极上解离产生的CO Stark系数为60 cm-1·V-1左右,而在另外两个电极上由于解离产生的CO量很少,无法测得其Stark系数。通过电化学循环伏安和原位红外光谱研究发现,柠檬酸根在Pt(100)和Pt(111)电极表面吸附形式一样吸附量接近,同时考虑到柠檬酸根会在高能表面产生CO,而CO在Pt(100)电极表面吸附最强,综合考虑以上因素,用柠檬酸盐作为功能分子合成出的纳米粒子将同时含有{100}和{111}晶面。  2、季铵盐吸附特性的研究:季铵盐(CTAC,CTAB)功能分子的卤素离子和烷基铵阳离子同时影响其在Pt单晶电极上的覆盖度。考虑到N+在电子结构上和Sp3杂化的C是等电子体和等结构体,很难成为电子给体或电子受体,因此不易吸附在Pt电极表面,而是带负电荷的卤素离子先吸附在电极表面,通过静电引力作用烷基铵阳离子吸附在卤素离子层而外层形成bilayer结构。测的CTAB在Pt单晶表面吸附的覆盖度大小顺序:Pt(100)(50%)>Pt(111)(35%)>Pt(110)(25%)。通过原位红外反射光谱研究发现,2850 cm-1和2917 cm-1归属于烷基链(vCH2)对称和不对称伸缩振动;1490 cm-1归属于(CH3)4-N+的C-H剪式振动;2020 cm-1归属于COL。季铵盐在贵金属纳米粒子形状控制合成中,是卤素离子和烷基铵阳离子的共同作用。卤素离子吸附在纳米粒子的表面降低了其表面能,烷基铵阳离子在卤素离子的外面形成bilayer结构,这种结构既导致卤素离子不容易从纳米粒子的表面脱附又可一定程度上防止纳米粒子的团聚,共同调控纳米粒子的形状和尺寸。  3、PVP吸附特性的研究:PVP在Pt单晶电极上的覆盖度在Pt(100)电极上的最大:约60%;在Pt(111)上次之:约55%;在Pt(110)上最少:约45%。同样在高电位氧化时,PVP在Pt(100)电极上更不容易脱附,说明在Pt(100)上的吸附能力比其他晶面稍强。PVP在Pt单晶的吸附强弱顺序:Pt(100)>Pt(111)>Pt(110)。研究结果表明,用PVP作为功能分子合成出的纳米粒子主要以Pt(100)晶面为主的立方体。  本论文使用Pt单晶电极为工作电极,选择一些在金属纳米粒子形状控制合成中具有代表性的功能分子,系统深入地研究了它们在表面原子排列结构明确的Pt单晶表面的吸附规律,同时运用原位红外反射光谱从分子水平揭示其吸附反应机理。对于进一步认识功能分子在纳米合成中的机理以及为理性地设计和制备高性能纳米催化剂具有重要意义。
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