功能化富勒烯的自組裝及其在燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、自富勒烯(C60)被發(fā)現(xiàn)近30年來(lái)，由于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予其材料優(yōu)良的光電性能，持續(xù)得到了大量關(guān)注。另一方面，燃料電池曾被美國(guó)時(shí)代雜志評(píng)為21世紀(jì)對(duì)人類最有影響的十大高新技術(shù)之一，近年來(lái)合成價(jià)格低廉且性能優(yōu)越的燃料電池催化劑亦為重要的熱點(diǎn)課題之一。富勒烯具有良好的自組裝能力，可以通過(guò)調(diào)控其自組裝得到大比表面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形貌;由于催化劑的比表面積與其催化活性密切相關(guān)，具有大比表面積富勒烯自組裝結(jié)構(gòu)在催化劑載體應(yīng)用方面應(yīng)具有潛在價(jià)值，但這

2、方面的研究報(bào)道甚少。因此本論文主要從以下兩個(gè)方面開展了工作:合成功能化富勒烯衍生物并調(diào)控其自組裝以及探索富勒烯自組裝結(jié)構(gòu)在燃料電池催化劑材料中的應(yīng)用。
　　首先本論文設(shè)計(jì)合成了含有羧基、酯基和硝基等功能基團(tuán)的富勒烯衍生物（富勒烯本身比重高于75％），并系統(tǒng)研究了這些衍生物在不同實(shí)驗(yàn)條件下（如溶劑、基質(zhì)、氛圍和溫度等）的自組裝規(guī)律。結(jié)果表明:溶劑的性質(zhì)、功能基團(tuán)的位置等在一定程度影響其自組裝后的形貌;基質(zhì)并不是影響自組裝形貌的主要因

3、素。對(duì)于所合成的功能化富勒烯衍生物，均可通過(guò)條件優(yōu)化來(lái)調(diào)控其自組裝行為，得到比表面積較大的復(fù)雜花球形貌結(jié)構(gòu)。通過(guò)XRD研究發(fā)現(xiàn)，這些復(fù)雜花球形貌結(jié)構(gòu)中富勒烯通過(guò)π-π(C60/C60)堆積作用以之字形錯(cuò)位方式自組裝排列。同時(shí)，本文還對(duì)功能化富勒烯衍生物的電化學(xué)性質(zhì)和光譜性質(zhì)進(jìn)行了研究;并通過(guò)理論計(jì)算研究了取代基位置與分子軌道能級(jí)之間的關(guān)系，在3種硝基苯基取代的富勒烯衍生物中，發(fā)現(xiàn)鄰位硝基的氧原子上的孤對(duì)電子與富勒烯籠π電子之間存在軌道相

4、互作用力，可顯著提高其LUMO能級(jí)。
　　其次，將富勒烯衍生物自組裝結(jié)構(gòu)作為催化劑載體，探索了其在燃料電池中的應(yīng)用。將Pt或Pd利用電化學(xué)還原沉積在富勒烯自組裝結(jié)構(gòu)覆蓋的ITO電極上制得復(fù)合催化劑，通過(guò)催化甲醇氧化對(duì)其電催化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，初步結(jié)果表明富勒烯自組裝結(jié)構(gòu)的引入可使催化劑的催化活性顯著提高。同時(shí)，用硼氫化鈉還原法制備了一類性能優(yōu)越的負(fù)載在羧基化多壁碳納米管上的空心型核殼結(jié)構(gòu)M@Pt-CNTs或M@Pd-CNTs新型催化