无机化学学报
CHINESEJOURNALOFINORGANICCHEMISTRY
Vol.23No.11Nov.,2007
纳米孔金膜电极:合金化/去合金化法制备及电化学性能
贾法龙*
罗
建
何
悦
张礼知
430079)
(华中师范大学化学学院,武汉
该方法首先在金电极表面摘要:采用合金化/去合金化法在金电极表面制备出一层具有纳米孔结构的金膜,其孔径约为15nm。
电沉积一层锌,再通过热处理形成合金层,最后利用化学去合金化法去除合金中的锌。X射线衍射(XRD)结果表明在合金化过程中,锌扩散进入金基体并形成了金-锌合金层。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对去合金化得到的纳米孔金膜进行了形貌的表征,结果表明合金化条件对样品的纳米结构有明显的影响。电化学测试结果表明,经合金化/去合金化处理的金电极,其表面粗糙度有明显的提高。这种金电极对甲醇具有较高的催化氧化活性,在0.3mol・L-1甲醇的KOH溶液中,甲醇的氧化峰电流密度高达2.02mA・cm-2。
关键词:去合金化;纳米孔;金电极;甲醇中图分类号:O614.123;O646
文献标识码:A
文章编号:1001-4861(2007)11-1912-05
NanoporousGoldFilmElectrode:PreparationbyAlloying/Dealloying
ApproachandElectrochemicalPerformance
JIAFa-Long*
LUOJianHEYue
ZHANGLi-Zhi
(CollegeofChemistry,CentralChinaNormalUniversity,WuHan430079)
Abstract:Nanoporousgoldfilmwithporesizeof ̄15nmwasfabricateddirectlyonthesurfaceofgoldbyanalloying/dealloyingprocess,involvingtheelectrodepositionofZnongoldsurface,thermaltreatmenttoformalloylayer,andchemicaldealloyingofZninthealloy.X-raydiffraction(XRD)resultsshowthedepositedZnintoAuphaseandanAu-Znalloylayerformationduringthealloyingstep.Themorphologiesofthesampleswerecharacterizedbyfieldemissionscanningelectronmicroscope(FESEM).Itwasobservedthatthethermalalloyingconditionhadanobviouseffectonthenanostrucuterofas-synthesizedsample.Electrochemicaltestsindicatethattheroughnessofgoldelectrodeisimprovedtoabout65afterthegoldelectrodeistreatedbyalloying/dealloyingprocess.Thisnanoporousfilmgoldelectrodeexhibitsobviouslyhighcatalyticactivitytowardstheoxidationofmethanol.Theoxidationcurrentdensityofmethanolwasmeasuredtobe2.02mA・cm-2inKOHsolutioncontaining0.3mol・L-1methanol.
Keywords:dealloying;nanoporous;goldelectrode;methanol
近年来,对具有纳米结构金属材料的研究引起了人们的广泛兴趣[1,2],尤其是表面具有纳米孔结构的金电极材料在分析和催化中应用时体现出很大的优越性[3,4]。目前Pt在甲醇燃料电池中应用较为广
收稿日期:2007-06-29。收修改稿日期:2007-09-18。国家自然科学基金资助项目((No.20503009and20673041)。
*
泛[5,6],但是在电极过程中Pt容易吸附CO而失去催化活性,为此人们开发出了许多Pt金属化合物(如Pt-Ru等)替代单质Pt,但是成本较高[7]。最近有研究表明金在碱性条件下催化氧化甲醇时不会出现催化
通讯联系人。E-mail:fljia@mail.ccnu.edu.cn
第一作者:贾法龙,男,34岁,讲师;研究方向:电化学催化及微系统加工。
第11期贾法龙等:纳米孔金膜电极:合金化/去合金化法制备及电化学性能
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剂中毒现象[8],高催化活性的纳米金材料在甲醇燃料电池应用有着潜在的应用前景。但目前关于纳米金应用于甲醇的催化氧化的研究中,多采用金纳米颗粒[9],颗粒必须负载在其他导电支持物上,这就给实际应用带来了一些不便。若能开发出具有纳米结构的自支撑金膜,那么就可以直接用作工作电极,而无需载体的支持。
最近,利用选择性溶解合金中较活泼成分的去合金化法,可制备出自支撑纳米孔金属材料[10]。如
Ding等[11,12]用机械碾压的方法制备出了厚度为100nm的Ag-Au合金,然后用硝酸除去Ag制得纳
米多孔金膜,方法虽然简单,但难以应用于延展性较差的金属。Huang等[13,14]利用离子液体中合金化/去合金化法制备具有纳米多孔膜结构的Ag、Au电极,但该方法使用离子液体,操作过程需要在手套箱中进行,制备过程的复杂性限制了该方法的广泛应用。
本文提出了一种简单有效的合金化/去合金化方法制备具有纳米孔膜结构的金电极。该方法通过在金电极表面电沉积一层Zn并通过热处理形成Au-Zn合金层,最后用化学方法除去合金中的Zn即可获得纳米多孔金膜,由于Zn2+/Zn的标准电极电位比Au3+/Au的低得多,合金在腐蚀液中浸泡时,Zn逐渐被溶解,而剩余的Au在基体表面聚集而形成纳米多孔结构。研究发现,金电极表面的纳米结构主要受热处理温度的影响,得到的该纳米孔金膜材料对甲醇具有较高的催化氧化活性。
1
实验部分
1.1
试
剂
所有试剂均为分析纯,由上海国药试剂公司生
产。实验用水为去离子水,镀锌液配方由风帆电镀有限公司提供(ZnCl2:60g・L-1,H3BO3:25g・L-1,LuZn-8添加剂:20mL・L-1)。
1.2纳米孔金膜电极的制备
以锌片为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,
金片(50μm厚)为工作电极,在-1.48V下恒电位沉积,通过控制沉积电量使得到的镀层厚度约为
4μm。随后金片用去离子水清洗干净并用氮气吹
干,然后在氮气气氛下热处理,热处理完毕的金片进行去合金化处理,即在室温下用浓硝酸浸泡
20min,便得到表面具有纳米孔结构膜层的金片。1.3材料表征和测试
利用场发射扫描电子显微镜(JEOL-6700F,
5kV)及OxfordINCA型X射线能谱仪(EDS,电子束电压20kV)对样品进行形貌和成分分析;利用X射线衍射仪(XRD,PhilipsMPD18801型)确定样品的晶体结构,Cu靶(Kα线,λ=0.15406nm),管电压
30kV,管电流30mA,扫描速度为0.05°・s-1,测试范
围为35 ̄90℃;利用CHI660B型电化工作站进行电
化学测试,纳米孔金膜电极为工作电极,铂片为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极。
2
结果与讨论
图1为整个工艺流程图。首先通过在金表面电
沉积一层Zn,然后通过热处理在Au、Zn交界处形成合金层,最后将复合金属层浸泡在腐蚀溶液中,通过化学腐蚀选择性去除合金中的Zn组分,剩余的Au
就会富积形成具有纳米孔结构的膜层。
图1合金化-去合金化过程示意图
Fig.1Schematicprocessforalloying/dealloyingprocess
2.1热处理与Au-Zn合金的形成
图2是合金化前后Au/Zn样品的XRD图,合金
化之前样品的XRD峰(图2a)分别对应于Zn(PDF65-5973)和Au的特征峰(PDF89-3697),合金化之后样品的XRD图中除了Au和Zn的特征峰外,还存在其他的峰,这些峰分别对应于AuZn(PDF65-
(a)Beforethermaltreatment;(b)80℃,1h;(c)100℃,1h;
(d)120℃,1h.▲Au;■Zn;*AuZn;●AuZn3;▼Au3Zn
图2合金化后前后样品的XRD图
Fig.2XRDpatternsofsamplesbeforeandafterthermaltreatment
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无机化学学报第23卷
5430)、Au3Zn(PDF65-4989)和AuZn3(PDF65-7899),这说明经过合金化处理样品表面形成了Au-Zn合金。而且比较a图和b,c,d图可以看到,合金化后图中单质Zn和Au的衍射峰强度有所降低,说明金表
面电沉积的锌有部分参与和基体金形成了合金。
图3为去合金化后金电极表面的SEM照片。在未进行去合金化之前,肉眼观察样品最外层为银白色,说明仍然有一层Zn存在。通过电镜观察,不同温度下热处理的样品其表面形貌基本一样,均比较平整(图3e)。而去合金化后则在金表面形成了纳米多孔膜结构,可以看出80℃热处理1h并去合金化后得到的样品表面有纳米孔形成(图3a),但孔的密度较小,而且有些区域尚未成孔。相比之下,100℃下热处理1h后并去合金化获得样品的纳米孔径较
若小(图3b),平均为15nm左右,骨架尺寸约20nm。继续升高温度至120℃(图3c)和140℃(图3d),去合
金化样品中纳米结构的骨架尺寸逐渐增加,表观的孔隙度随之降低。以上实验结果表明合金化的条件对纳米孔金膜的形貌影响很大。比较以上不同条件得到的结果,可以初步确定100℃下进行热处理1h后去合金化有利于得到较高粗糙度的纳米孔结构。
2.2化学去合金化后Au电极的形貌
合金化完成以后,金电极在室温下用浓HNO3
浸泡20min除去表面及合金中的Zn。在化学去合金化的过程中,纳米孔的形成过程可以用Erlebach-er的理论来解释[11]:合金化的金电极浸泡在浓硝酸中,表面的Zn很快被溶解,合金层就暴露在了强酸中,随着合金中的Zn被选择性地腐蚀和溶解,剩余的Au逐渐富积并团聚成岛屿状,逐步生长成为内部相通的纳米多孔结构。在实验中观察到金电极的表面颜色逐渐变为暗红色并失去光泽,说明其表面已变得粗糙。
a:80℃;b:100℃;c:120℃;d:140℃;e:beforedealloying
图3不同温度下热处理1h后去合金化样品表面的FESEM照片,图e为去合金化之前的形貌。
Fig.3SurfaceFESEMimagesofsamplespreparedbythermal-treatmentunderdifferenttemperaturesfor1h
图4为去合金化前后样品的断面照片比较,图4a为仅经过合金化的样品的断面照片,经过EDS分析表明最外层仍存在近1μm左右厚度的镀锌层,这与XRD的结果中单质锌的存在是一致的。但由于表层Zn已经与Au发生合金化,金属层之间的热扩散使得层与层之间的界限变得模糊。虽然经过合金化处理,但样品的断面上并没有观察到纳米孔结构。样品经过去合金化处理的断面照片如图4b所示,可以看出在一定深度内( ̄0.3μm)形成了纳米孔状结构,孔隙的大小约在20nm左右,骨架尺寸为30nm左右。在较深的区域(图4b的左侧)孔的结构呈不规则的通道状,且孔径很小,这可能是由于在较深处腐蚀电解质扩散变得非常困难,化学腐蚀过程不能完全进行,故而去合金化并不完全。
我们对此条件下得到的金膜进行了EDS成分分析(图5),结果表明其中仍然有少量Zn的存在,其原子百分含量在6%左右,Ding等[12]在Au-Ag合金的去合金化过程中也观察到类似的结果,即使延长去合金化时间Zn的含量也没有明显降低,其原因
图5
去合金化样品的EDS分析
图4
去合金化前后样品的断面照片
Fig.4SectionalSEMimagesofsamplesafterthermal-treatmentat100℃for1h(a)anddealloying(b)
Fig.5EDSanalysisofdealloyedsamplepreparedunderthesameconditionasinFig.3b
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有可能是在此条件下形成的纳米孔金膜的腐蚀行为和纯金基本是一致的,考虑到形成的纳米孔金膜的电化学行为和纯金几乎是一样的,在本文中仍然以纳米孔金膜表示。
2.3电化学性能分析
在研究中经常采用粗糙度(即真实表面积与几何面积的比值)来衡量材料有效活性面积的增大幅度[15],在本文中也采用了此方法对制备材料进行表征。图6为几何面积相等的光滑金片和制备的纳米多孔膜金片在0.1mol・L-1KOH溶液中的循环伏安曲线。可以看出阳极扫描过程中在0.27V出现金的氧化峰,随后在阴极扫描过程中的0.15V处出现一个还原峰,此峰是由于阳极过程中形成金氧化膜被还原而引起。与纳米孔金膜电极相比,光滑的金片在
KOH溶液中表现出来的氧化和还原电流峰的强度
非常弱。由于金片的真实活性面积正比于还原峰所消耗的电量,可由此推算出经过处理后的金电极的粗糙度。热处理温度和样品粗糙度之间的关系列于内图中,从图中可看出,金表面经过100℃处理1h和去合金化后的粗糙度最高(约为65),说明这种方法可以有效地提高电极表面的粗糙度。
(a)polishedgoldelectrode;(b)nanoporousgoldfilmelectrode
preparedunderthesameconditionasthatofFig.3b
图6光滑金电极和纳米孔金膜电极在0.1mol・L-1
KOH溶液中的循环伏安曲线,内图为样品粗糙
度和热处理温度的关系图
Fig.6
Cyclicvoltammetrycurvesrecordedin0.1mol・L-1KOHforgoldelectrodes,scanrate=100mV・s-1
Theinsetistherelationshipbetweentheroughnessfactorandthermal-treatmenttemperature
图7为光滑金电极(内图)和纳米孔金膜电极在
1mol・L-1KOH和含有0.1和0.3mol・L-1CH3OH的
KOH溶液中的循环伏安曲线。随着甲醇浓度的增
加,光滑金电极和纳米孔金膜电极上的伏安曲线的
图7
光滑金电极(内图)和纳米孔金膜电极在含有0(a),0.1(b),0.3(c)mol・L-1CH3OH的1mol・L-1
KOH混合溶液中的循环伏安曲线
Fig.7
Cyclicvoltammetrycurvesrecordedin1mol・L-1KOHcontaining0(a),0.1(b),and0.3(c)mol・L-1
CH3OHforpolishedgoldelectrode(inset)andnanoporousgoldfilmelectrodepreparedunderthesameconditionasthatofFig.3b,scanrate=
10mV・s-1
变化趋势是一致的。从图中可以看出,纳米孔金膜电极在正向扫描的0.17V处出现了一个宽而强的氧
化峰,考虑到电极自身在此处电位存在的氧化电流峰(0.73mA・cm-2),因此0.1和0.3mol・L-1甲醇实际对应的氧化电流分别为0.72和2.02mA・cm-2,而同样条件下光滑金电极的甲醇氧化电流峰值分别为0.02和0.06mA・cm-2,由此可见纳米孔金膜电极对甲醇的具有较高的催化作用。从图中可观察到,在反向扫描过程中较负的电位范围内(0 ̄0.02V)又出现
了一个氧化峰,实验结果表明该峰的强度随甲醇浓度增加而增强,此现象与Assiongbon等观察到的结果是一致的[8]。由于甲醇的加入,正向扫描过程形成
的金氧化膜参与到甲醇的催化氧化,而在反向扫描过程中既存在氧化金的还原(1),又存在甲醇的氧化(2):
Au-OHδ-
+(1-δ)e-=Au+OH-
(1)CH3OH+Au-OHδ
-
+4OHx-=Au+HCOO-+4H2O+(δ-1+4x)e-
(2)
由于甲醇的氧化电流高于氧化金的还原电流,所以总的结果是在0V左右出现了氧化峰。
3
结论
本工作用简单的热合金化/去合金化法成功的在金电极表面制备出具有纳米孔结构的金膜,SEM
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分析表明纳米孔金膜的微观形貌受热合金化温度的影响较大,电化学测试表明样品经过100℃处理1h和去合金化后,金电极表面的活性面积提高了近65倍。
而且制备的纳米孔金膜电极在催化氧化甲醇的实验中表现出很高的催化活性。参考文献:
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