脱合金法制备纳米多孔金实验报告

1、Seminar课程课外研学学分认定书学生姓名： 沈宇 学号： 21112139 所在院系：交通学院 一、课程相关信息课程名称授课教师职称所在单位 纳米多孔里的新世界曾宇桥教授材料学院二、课程研讨的主要课题 纳米多孔里的新世界三、论文题目 脱合金法制备纳米多孔金实验报告4、 论文摘要（200字） 随着我国国民经济的发展，尤其是现在能源、环保等行业的发展，材料特别是金属多孔材料的需求量正在迅速增长。金属多孔材料既可作为许多运用的结构材料，也可作为某些特殊场合的功能材料，是一种性能优异的结构功能材料。由于金属多孔材料其本身具有特殊性质，越来越受到人们的关注，成为材料科学领域不可或缺的组成部分。本实验

2、是金属多孔材料运用于检测葡萄糖的浓度，是现代多孔材料发展的很有前景的一个方向，在大分子催化，吸附与分离，纳米材料组装，生物化学，分子识别，化学传感及色谱载体等众多领域都有广泛的应用前景。 五、与课程相关的研学材料清单：文献综述或调研报告 份， 与课程相关的论文 1 份答辩报告（含ppt） 份， 其他 份六、对论文或报告的评阅意见：1、有无调研原始资料 有； 无；2、论文或报告质量（内容、工作量、规范性）优秀； 良好； 通过； 不通过；3、有无抄袭现象 有； 无；4、评阅意见： 达到课程要求,同意授予学分。 任课课教师签字： 年 月 日 七、对学分认定的意见：0学分 0.5学分 1.0学分 任课

3、课教师签字： 年 月 日 脱合金法制备纳米多孔金实验报告实验日期：5月20日 实验地点：材料楼小组：不会起名字 组员：沈宇 高凯 徐刚 杜秋鑫姓名：沈宇1. 实验背景：（1）纳米多孔金的研究历程 纳米金属材料自研制成功以来，已被广泛应用于很多学科和领域。纳米材料具有许多传统材料无法比拟的特性和功能，应用前景十分广阔，在研究及应用领域占据了越来越重要的地位。因此，不断改进和发展新的纳米材料的制备方法，一直是研究者的兴趣所在。相较而言，电化学法在制备纳米金属材料方面有许多优点，如反应条件温和可控、环境友好、适用范围广，产物纯度高，能更好地控制纳米粒子的尺寸和形貌等，是一种非常有前景的制备方法。纳米

4、金属材料具有非常优越的催化性能，如纳米结构的金、把等均在催化剂领域占有非常重要的地位，己成为相关领域的研究热点。 材料的多孔化，给原来的材料赋予了崭新的性能。这种性能的延伸，使多孔材料具有致密材料难以胜任的用途，大大拓宽了其在工程领域的应用范围。20世纪发展起来的新型多孔材料，包括金属多孔材料（即常说的泡沫金属）和非金属多孔材料（如泡沫塑料和多孔陶瓷）。不论什么材质的多孔材料，他们都具有相对密度小、比表面积大、热导率低、比强度高及吸能性能等共同属性。随着我国国民经济的发展，尤其是现在能源、环保等行业的发展，材料特别是金属多孔材料的需求量正在迅速增长。金属多孔材料既可作为许多运用的结构材料，也可

5、作为某些特殊场合的功能材料，是一种性能优异的结构功能材料。由于金属多孔材料其本身具有特殊性质，越来越受到人们的关注，成为材料科学领域不可或缺的组成部分。本实验是金属多孔材料运用于检测葡萄糖的浓度，是现代多孔材料发展的很有前景的一个方向，在大分子催化，吸附与分离，纳米材料组装，生物化学，分子识别，化学传感及色谱载体等众多领域都有广泛的应用前景。纳米多孔金属是具有纳米尺寸孔洞的材料，其孔径尺寸为几纳米至几十纳米，纳米多孔金属是一种特殊的多孔材料，纳米级的孔径尺寸使其具有更高的比表面积以及其他独特的物理、化学以及力学性能，例如独特的电磁性能、更高的化学活泼性、更高的强度等。因此，纳米多孔金属具有巨大

6、的应用潜力，目前开展的应用研究主要有催化、活化、传感、表面增强拉曼散射(SERS)等。制备纳米多孔金属的主要方法有“模板法1”和“脱合金法2”两种。“模板法”即以多孔的氧化铝、液晶相或纳米颗粒为模板，通过复制模板的结构获得最终的纳米多孔结构。采用这种方法制备的纳米多孔金属有一个缺点，其孔径尺寸以及分布排列方式都是由模板确定的，只能通过调整模板结构进行控制，这一缺点限制了模板法的发展。“脱合金法”通过对二元的固溶体合金进行适当的腐蚀，将其中较为活泼的金属溶解，剩余的较为惰性的金属原子经团聚生长最终形成双连续的纳米多孔结构。与模板法制备纳米多孔金属不同，脱合金法可以通过对腐蚀过程以及后续热处理过程

7、的调整实现对孔洞尺寸与空间排布的动态控制。（2） 纳米多孔金在葡糖糖氧化实验中的催化活性研究3 通过简单的脱合金化方法制备了不同尺寸和不同含Ag量的纳米多孔金催化剂。实验结果表明，即使是孔壁尺寸大于10二时，这种无负载的纳米多孔金催化剂对葡萄糖氧化生成葡萄糖酸的反应都具有良好的催化活性和催化选择性。孔壁尺寸为6 nm的纳米多孔金表现出最高的催化活性而且不容易失活， 0 nm的纳米多孔金表现出良好的结构稳定性。研究还发现，纳米多孔金催化剂中的残留Ag并没有提高其对葡萄糖氧化反应的催化活性。基于上述研究结果，我们认为纳米多孔金中边、角处的Au原子是纳米多孔金的反应活性位。葡萄糖氧化反应的反应动力学

8、研究说明，在纳米多孔金表面发生的葡萄糖氧化反应的速控步骤是孔中葡萄糖分子的内部扩散和葡萄糖分子在催化剂表面的吸附。总的来说，由于完全不同的催化剂结构和反应进程，纳米多孔金的催化活性无法和纳米金颗粒相媲美，但是纳米多孔金却具有作为催化剂的独特的优势，如易于制备、回收和循环利用;催化剂材料结构上的连续性和良好的导电性使其表面容易功能化修饰上其他材料并以此来设计和开发新型器件，如适合工业应用的薄膜反应器等。 作为一种无毒,廉价以及可再生的资源,葡萄糖被广泛的用于现代生活和工业生产当中自Rao和Drake在二十世纪六十年代首次报道了葡萄糖在铂电极上的电催化氧化后,葡萄糖的电催化氧化作为葡萄糖传感器和燃

9、料电池等领域的关键反应被进行了广泛的研究自此,寻求高催化活性的葡萄糖电催化剂成为实际应用过程中的一个函待解决的问题,也成为各国科学家研究的重点,我们制备了具有高比表面积和高孔隙率的纳米多孔金薄膜,另外利用无电镀技术在纳米多孔金表面修饰了不同含量的铂,把贵金属,制备了具有高催化活性的铂金!把金双金属催化剂,系统的研究了他们作为葡萄糖电氧化催化剂在葡萄糖燃料电池和葡萄糖传感器中的应用,通过扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),x射线粉末衍射(XRD)技术4和电化学测试方法5对这些催化剂的结构和表面特性进行了表征和测试。 2. 实验目的： 纳米多孔金的制备方法主要有模板法和脱合金法等。

10、 模板法被广泛应用于多孔材料的制备，该方法的基本过程是用模板剂制成多孔结构作为模板，然后通过一定手段将欲制成多孔结构的材料填充至模板的孔隙中，最后将模板剂通过物理或者化学方法除去，即可得到复制了模板剂孔隙结构的纳米多孔结构的材料。胶态晶体13、多孔氧化铝14、生物骨骼15均可用作制备纳米多孔材料的模板。 许多生物的骨架为具有有序纳米多孔结构的碳酸钙，是理想的模板材料。Seshadri 15等使用具有规整孔洞结构的海胆骨骼作为模板材料，使用纳米金颗粒覆盖模板表面，经退火增强金属的机械强度以后，溶解掉主要成分为CaC03的模板，即可得到和复制了原有的模板材料的规整孔洞结构的双面纳米多孔金。采用模板

11、法制备的纳米多孔材料的结构完全复制于原始的模板材料的结构，模板的结构一旦确定，所能制成的纳米多孔材料的结构也就确定，从而给结构调制带来困难。这一缺点也限制了模板法的应用。 脱合金法制备纳米多孔金属是多孔金属材料制备方法中重要的一类，主要分为两种，自由腐蚀和电解腐蚀，原理都是将金的合金中较活泼的成分从合金中选择性腐蚀掉，留下的惰性成分通过自扩散生长形成纳米多孔金属。对于纳米多孔金的制备，一般采用Au-Zn16-18, Au-Al工19 , Au-Cu20,21 , Au-Ag22等体系，其中最常用、受到最多关注的是Au-Ag体系，原因主要有二:一方面Au-Ag可在所有成分范围内形成均相固溶体，另

12、一方面金和银的晶格结构相同，晶格常数非常接近。Falong Jia等将金电极浸入ZnC12/BA电解液中，在120下对其进行了循环伏安扫描，从而达到合金一脱合金的效果，将金电极制备成具有三维纳米孔壁孔道双连续的多孔金电极，大大扩展了金电极的比表面。电化学合金一脱合金法制备得到的纳米多孔金为孔壁、孔径尺度分别为约60nm和100nm的三维网络状纳米多孔结构的材料。这种方法制备纳米多孔金需要复杂的电化学设备和温控设备，并且样品较厚，不适用于制备DBHFC所需的薄层、大面积的纳米多孔金材料。JonahErlebacher23等通过对Au-Ag体系的合金用硝酸自由腐蚀，同样得到了孔壁孔道双连续的纳米多

13、孔金，他们还对该合金体系脱合金法制备纳米多孔金进行了数值模拟，从理论上解释了脱合金的机理。 和模板法相比，脱合金法具有实验简单易行的优点，并且脱合金法制备纳米多孔金可通过对腐蚀过程的条件和时间的控制以及后续的热处理等手段实现对孔洞的形貌和尺度的连续调控，得到符合需要的纳米多孔金。这些特点使得脱合金法制备的纳米多孔金属广泛应用于催化、传感、燃料电池等领域。 本实验利用脱合金法制备对于葡萄糖有传感性能6的纳米多孔金。3. 实验方法：(1)制备多孔金：利用脱合金法，实验流程图如下： （腐蚀约30min） HNO3 65% 玻璃板 蒸馏水 捞出阴干金银合金薄片 薄片 薄片 薄膜 样品 （3:7） 通风

14、橱 打捞转移 漂洗两次浓硝酸腐蚀法制备纳米多孔金的步骤为:首先将金银合金箔片剪成合适大小，用沾水的玻璃板转移至清水中备用，然后在结晶皿中倒入浓度为65%的浓硝酸，将金银合金箔片用玻璃板从水中转移至浓硝酸中，腐蚀一定时间，再用玻璃板转移至清水中，漂洗两次。由于浓硝酸具有强挥发性且挥发出的气体有强腐蚀性，实验需在通风橱进行。制备好的样品用玻璃板捞出，阴干备用。理论依据：1. 选用金银合金：一方面au-ag课在所有成分范围内形成均相固熔体，另一方面金和银晶格结构相同，晶格常数非常接近。2. 纳米金金对葡萄糖的传感性能优良。详见基于纳米结构金_钯_铁薄膜功能界面的构建及其电催化与传感性能研究。3. 选

15、用比例：Au含量太高时，Ag被包裹在Au中，腐蚀时间过长或腐蚀无法进行导致无法形成纳米孔隙；但同时Au含量不应低于20%。详见脱合金法制备纳米多孔金属和金属氧化物及其催化性能研究7。4. 选用薄片：一是加快反应速度，使反应充分进行；二是便于生成样品的转移与打捞；三是便于后续关于对葡萄糖传感性能的测定。85. 选用65%浓硝酸，硝酸浓度越低越容易形成纳米孔洞，但是过低反应无法进行或者腐蚀时间过长，基于本实验的要求，故选用65%浓度，详见脱合金法制备纳米多孔金属和金属氧化物及其催化性能研究。并且腐蚀时间越长，形成的纳米多孔金的机械强度越差，详见纳米多孔金的制备及其电化学性能9.6. 浓硝酸具有强挥

16、发性应该通风橱中进行该反应。7. 玻璃板：一是由于表面张力薄片会浮在液体表面上，因此选用玻璃板易打捞；二是金箔变成多孔的以后，机械强度变差，易破碎。108. 漂洗两次：洗去残留的硝酸，防止样品粗化。9. 捞出阴干：基于生成的样品机械强度差，易破碎；如果要加速阴干，可放于酒精中漂洗一次，再阴干。（2）测试其传感性能： 将实验得到的样品安装于传感器上，测量其性能。 实际实验中所用的是金银合金丝，实际试验中转移样品所用的工具喂滴管如图所示： 由于直径小，结构强度较差，用镊子等夹持均会导致其损坏，只能用滴管转移到水中保存。由于浓硝酸具有强挥发性，实验在通风处中进行。用滴管将金银合金转移至浓硝酸中，浓系

17、哦啊算的强氧化性使样品树苗即被腐蚀变色，在10s内表面完全变色均匀。经浓硝酸腐蚀后，由于合金中大部分银被选择性腐蚀掉，残留的多孔金呈现古铜色。残留的浓硝酸会使样品粗化，因此样品腐蚀30MIN后，要用滴管转移至去离子水中清洗两次，保存在去离子水中。样品呗腐蚀至多孔之后，样品的机械强度变差11，转移时需仔细防止破碎。4.实验材料和器材：皆是实验室中常见的材料和器材：金银合金、65%浓硝酸、酒精、玻璃板、烧杯、通风橱等。5.实验结果： 为了便于实验比较和防止实验失误，我们准备了两份一样的样品进行实验。得到的样品1的CV曲线如下：Data Source: Experiment Data Source:

18、 ExperimentInstrument Model: CHI1111C Instrument Model: CHI1111CHeader: Header: Note: Note: Init E (V) = -1 Init E (V) = -1High E (V) = 1 High E (V) = 1Low E (V) = -1 Low E (V) = -1Init P/N = P Init P/N = P Scan Rate (V/s) = 0.05 Scan Rate (V/s) = 0.05Segment = 2 Segment = 2Sample Interval (V) = 0.0

19、01 Sample Interval (V) = 0.001Quiet Time (sec) = 2 Quiet Time (sec) = 2Sensitivity (A/V) = 0.001 Sensitivity (A/V) = 0.001 横坐标：Potential/V 横坐标：Potential/V纵坐标：Current/A 纵坐标：Current/A浓硝酸室温腐蚀30min制得的纳米多 浓硝酸室温腐蚀30min制得的纳米多孔孔金样品cv，室温下在KOH中扫描 样品cv，室温下在KOH+glucose中扫描 由图可得，正向扫描至0.2v左右开始出现第一个氧化峰，但是效果很不明显；在0.

20、7v左右开始出现第二个氧化峰，效果亦不很明显。总的来说，实验效果并没有达到预期。得到样品2的CV曲线如下：（1） 第一次测试：Init E (V) = -1 Init E (V) = -1High E (V) = 1 High E (V) = 1Low E (V) = -1 Low E (V) = -1Init P/N = P Init P/N = PScan Rate (V/s) = 0.05 Scan Rate (V/s) = 0.05Segment = 2 Segment = 2Sample Interval (V) = 0.001 Sample Interval (V) = 0.001

21、Quiet Time (sec) = 2 Quiet Time (sec) = 2Sensitivity (A/V) = 0.001 Sensitivity (A/V) = 0.001横坐标：Potential/V 横坐标：Potential/V纵坐标：Current/A 纵坐标：Current/A浓硝酸室温腐蚀30min制得的纳米多 浓硝酸室温腐蚀30min制得的纳米多孔孔金样品cv，室温下在KOH中扫描 样品cv，室温下在KOH+葡萄糖中扫描（2） 第二次测试：Init E (V) = -1 Init E (V) = -1High E (V) = 1 High E (V) = 1 Low

22、E (V) = -1 Low E (V) = -1Init P/N = P Init P/N = P Scan Rate (V/s) = 0.05 Scan Rate (V/s) = 0.05 Segment = 2 Segment = 2 Sample Interval (V) = 0.001 Sample Interval (V) = 0.001 Quiet Time (sec) = 2 Quiet Time (sec) = 2 Sensitivity (A/V) = 0.001 Sensitivity (A/V) = 0.001 横坐标：Potential/V 横坐标：Potential

23、/V纵坐标：Current/A 纵坐标：Current/A 浓硝酸室温腐蚀30min制得的纳米多 浓硝酸室温腐蚀30min制得的纳米多孔 孔金样品cv，室温下在KOH中扫描 样品cv，室温下在KOH+葡萄糖中扫描由曲线图可观察得到，多孔金样品在KOH溶液中得到的CV。正向扫描至0.2V左右出现第一个氧化峰，在0.6V左右出现第二个氧化峰，回归则出现对应的还原峰。多孔金样品在KOH+GLUCOSE溶液中得到CV。正向扫描至-0.3V左右出现第一个氧化峰，在0.6V左右开始出现第二个氧化峰。表明实验结果初步达到预期效果。由于金电极不同于铂电极，没有明显的氢吸附一脱附峰，故无法用氢的脱附一吸附峰来计

24、算其电化学比表面，一般对该还原峰进行积分，与平滑的金电极还原峰电荷量相比较，即可得到金电极的粗糙系数(定义为真实表面积和表观表面积之比)12。平滑的金电极表面电荷量为390C/cm2，经计算可得浓硝酸腐蚀30min所得样品的粗糙系数约为22，一也即该方法制备出的样品的电化学比表面为光滑金表面的22倍，说明了样品的结构应为多孔结构。(3) 后续研究： 影响负载型金纳米催化剂活性的因素很多，包括制备方法、载体、金纳米粒子粒径等。金的催化活性是通过采用一定的制备方法将纳米金颗粒负载到载体上而得到体现。目前常用的制备纳米金催化剂的方法有:浸渍法、共沉淀法和沉积一沉淀法;而采用不同方法制备的金催化剂，其

25、催化活性往往差别很大，这不利于催化剂的规格化制备。关于载体的作用，研究者一致认为，氧化物载体种类对金催化剂的活性有明显影响，但是其对催化活性产生影响的具体机理却一直是个具有争议的话题。 已有的研究结果表明，与传统的Pt和Pd催化剂相比，负载型纳米金催化剂对葡萄糖氧化反应有卓越的催化活性和生成葡萄糖酸的高反应选择性;不仅如此，负载型金催化剂还不容易被化学物质毒化失活，拥有催化活性的pH值范围比较宽(7-9.5) 。我们的实验数据表明，在反应溶液pH值为7-9之间时，纳米多孔金对葡萄糖氧化生成葡萄糖酸的反应同样具有优异的催化选择性，并没有检测出果糖等副产物，选择性高达99%以上。6.反思及改进：（

26、1） 本次实验中，只设立了实验条件完全相同的一组实验。可多设立几组实验，依次改变腐蚀时间、金银比例、金银合金形状等进行比较实验，找出最佳的实验方案，并进行相关分析。（2） 样品1的实验效果不佳，可能是由于样品的多次转移造成的。由于多孔金的脆弱性，多次转移破快了其多孔结构，造成催化性能不佳。（3） 可继续对葡萄糖的氧化产物进行更加深入的分析，分析其产物组成，和其中多孔金的催化机理。（4） 对于催化效果的评判没有一个标准，本次试验没法得到一个相对的多孔的催化性能。只能比较粗略地感受其催化效果。（5） 试验中意外发现多次测量多孔金的催化效果会导致其催化性能的下降，可设计相关试验进行深入分析验证。（6

27、） 实验中没有监控时间温度对于实验反应的影响。7. 实验疑问及相关猜想：（1）上面论述过对于银含量过低的金银合金，腐蚀过程中会造成合金腐蚀不完全，无法形成纳米孔的情况出现；那么对于金含量过低的实验，又会使什么样的实验结果呢？猜想：Erlebacher等人25-26提出Au-Ag合金脱合金化制备纳米多孔金的过程包括Ag的溶解和Au的扩散，多孔结构的形成主要依赖于Ag的溶解速率、Au的扩散速率和Au聚集成簇的密度，其中Au聚集成簇的密度决定了孔隙尺寸。他们认为在浓硝酸体系中腐蚀金银合金时，首先是合金表面裸露出的Ag原子被反应去除，残留的Au原子覆盖表面起到钝化作用;然后是表面高度低配位的Au原子扩

28、散聚集成簇，在合金表面局部形成富Au的岛状结构，这些岛状结构之间的距离即是多孔结构形成后孔壁之间的距离;接着是山于Au原子扩散而裸露出来的Ag继续被溶解去除，残留的Au原子则扩散到附近的富Au结构上;Ag的溶解和Au的扩散最终导致了纳米多孔结构的形成。本文中使用的合金其Au含量都比较低，以Au10Ag9。合金为例，在发生Ag的溶解反应时，Au原子的扩散几乎可以忽略，因此腐蚀反应进行到第11层时，残留的Au原子方可将合金表面覆盖钝化，然后是Au原子团聚成簇，腐蚀反应继续进行。而当Au含量只有1%时，腐蚀反应需进行100层才能发生Au的钝化作用，且只需Au原子扩散稍微发生，腐蚀反应即迅速推进下去。

29、因此，随着合金中Au含量的急剧下降，其腐蚀产物多孔结构中的孔隙尺寸也随着迅速减小，并最终发生结构坍塌。即很难形成纳米孔洞，但是国外有的科学家的确做出了这样的纳米金，可见在纳米金的道路上我们还有很长的一条路要走。（2） 残留Ag对纳米多孔金催化活性的影响：猜想： 实验中使用的纳米多孔金多是采用自由腐蚀法从Ag/Au中去除Ag制备，从理论上来说，Au富集的孔壁中总会存在一些Ag原子，其残留量由腐蚀条件控制，EDS分析给出我们使用的多孔金中Ag残留量在1%左右。 考虑到Ag对Au催化可能产生的影响，Wang等人对金催化剂中Ag的影响进行了研究并报道指出，在CO氧化实验中，Ag极大的增强了负载Au的催

30、化活性27,28，尤其是当纳米颗粒中Au/Ag比例接近3/1时，作者认为Ag的存在可以增强。的吸附和活化从而与Au产生协同作用28 oHaruta教授在其最近的一篇综述中提出，纳米多孔金对CO氧化的优异的催化活性可能的原因是Au与残留的容易被氧化成AgO的表面Ag原子的相互作用29。为了探讨残留Ag在此催化氧化反应体系中的作用，我们后续还应测量Ag残留量不同的纳米多孔金在葡萄糖氧化反应中的催化活性，如果可能，这将是我们下一次实验的方向。（3）纳米多孔金比之纳米金颗粒的优越性： 猜想：总的来说，虽然由于完全不同的催化剂结构和反应进程，纳米多孔金的催化活性无法和纳米金颗粒相媲美，但是纳米多孔金却具

31、有作为催化剂的独特的优势:易于制备、回收和循环利用;催化剂材料结构上的连续性和良好的导电性使其表面容易功能化修饰上其他材料并以此来设计和开发新型器件，如适合工业应用的薄膜反应器等。8.参考文献：1.Mikhail Granovskii, Ibrahirn Dincer，MarcA Rosen，International Journal of Hydrogen Energy 31(2006)337.2. HsinPing Chang, Chao-Ling Chou, Yong-Song Chen, Tien-I Hou,BiingJyhWeng, International Journal of

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