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几种双组分贵金属微—纳米结构材料的制备及其催化应用

1引言

双金属纳米材料，凭借其独特的电子和几何特性，在催化领域展现出卓越的性能，吸引了众多科研人员的关注。相较于单金属纳米材料，双金属纳米材料中两种金属之间的协同作用，能够显著提升催化活性、选择性和稳定性。这一特性使其在众多领域，如能源转化、环境治理和有机合成等，都具有广泛的应用前景。例如，在燃料电池的电极催化反应中，高效的双金属催化剂能够加快反应速率，提高电池的能量转换效率；在环境污染治理方面，可用于催化降解有机污染物，实现环境的净化。

制备双金属纳米材料的方法丰富多样，每种方法都有其独特的优势和适用范围。化学还原法操作相对简便，能够较为精准地控制纳米粒子的尺寸和组成；电沉积法可在电极表面直接制备具有特定结构的双金属材料，且能有效调控材料的形貌；置换反应法则利用金属间的置换活性差异，实现双金属结构的构建。不同制备方法所得到的双金属纳米材料，在结构和性能上存在明显差异。例如，化学还原法制备的材料可能具有更均匀的粒子分布，而电沉积法得到的材料可能在电极表面形成独特的多孔结构，从而影响其催化性能。

本研究聚焦于几种典型的双组分贵金属微-纳米结构材料，深入探究其制备方法，并系统考察它们在不同催化反应中的应用性能。通过对这些材料的研究，旨在进一步揭示双金属纳米材料的结构与性能之间的内在联系，为开发更加高效、稳定的双金属催化剂提供坚实的理论基础和实践指导，推动双金属纳米材料在催化领域的广泛应用。

2双金属纳米材料的制备以及纳米催化剂的特性

2.1制备双金属纳米材料的常用方法

2.1.1化学还原法

化学还原法是制备双金属纳米材料较为常用的方法之一。其原理是在含有金属盐的溶液中，通过加入合适的还原剂，将金属离子还原为金属原子，这些金属原子进而聚集形成纳米粒子。在制备AuPt双金属纳米材料时，通常将氯金酸（HAuCl?）和氯铂酸（H?PtCl?）作为金源和铂源。以柠檬酸钠作为还原剂，在加热搅拌的条件下，柠檬酸钠将溶液中的Au3?和Pt??逐步还原。反应过程中，Au原子和Pt原子会同时成核生长，最终形成AuPt双金属纳米粒子。该方法操作相对简单，能够较好地控制纳米粒子的尺寸和组成。通过调整金属盐的比例，可以精确调控双金属纳米粒子中两种金属的含量。在合成过程中，柠檬酸钠不仅作为还原剂，还起到了稳定剂的作用，它吸附在纳米粒子表面，有效防止粒子的团聚，使得制备出的AuPt双金属纳米粒子具有较好的分散性。

2.1.2电沉积法

电沉积法是在电场的作用下，使金属离子在电极表面发生还原反应，从而沉积形成金属或合金的方法。在制备三维泡沫薄膜多孔PtPd时，以含有Pt2?和Pd2?的溶液作为电解液，通常采用铂片作为工作电极，石墨棒作为对电极。在一定的电位条件下，溶液中的Pt2?和Pd2?会向工作电极迁移，并在电极表面得到电子被还原为金属原子，逐渐沉积形成PtPd合金泡沫薄膜。通过控制电沉积的时间、电流密度和电解液的组成等参数，可以对PtPd合金泡沫薄膜的形貌和成分进行有效调控。延长电沉积时间，薄膜的厚度会增加；改变电流密度，薄膜的孔隙率和晶粒尺寸会发生变化。这种方法能够直接在电极表面制备出具有特定结构的双金属材料，在电催化领域具有重要的应用价值，所制备的材料可直接作为电催化剂用于各种电化学反应。

2.1.3置换反应法

置换反应法利用金属活动性的差异来制备双金属纳米材料。在制备AgCu双金属枝晶时，将铜片浸入含有Ag?的溶液中。由于铜的金属活动性比银强，铜原子会失去电子变成Cu2?进入溶液，溶液中的Ag?则得到电子被还原为银原子，并在铜片表面沉积生长。随着反应的进行，银原子在铜片表面不断堆积，逐渐形成具有枝晶结构的AgCu双金属材料。在这个过程中，反应时间和溶液中Ag?的浓度对产物的形貌和组成有显著影响。反应时间较短时，可能只在铜片表面形成一层薄薄的银镀层；反应时间过长，则可能导致银枝晶过度生长，影响材料的性能。通过控制这些反应条件，可以制备出具有不同形貌和银铜比例的双金属枝晶材料，以满足不同催化反应的需求。

2.2双金属纳米材料的催化应用

2.2.1AuPt双金属纳米材料及其电催化

AuPt双金属纳米材料在电催化领域展现出优异的性能。在甲酸的电催化氧化反应中，AuPt合金泡沫薄膜表现出独特的优势。从结构上看，AuPt合金泡沫薄膜具有丰富的孔隙结构，这种多孔结构极大地增加了材料的比表面积，为电催化反应提供了更多的活性位点。当甲酸分子吸附在AuPt合金泡沫薄膜表面时，Au和Pt两种金属之间的协同作用得以发挥。Pt具有较强的吸附和活化甲酸分子的能力，能够促进甲酸的脱氢反应；而Au的存在则可以调节Pt的电子结构