摘要
碳化硅(SiC)具有机械强度高、化学稳定性和热稳定性好、禁带宽度适中等优点，在超硬材料、电子设备、发光材料、光催化等领域深受好评。近年来，其在电化学领域的应用也越来越多，尤其在甲醇氧化和电化学析氢等领域。但是，SiC较低的比表面积和较差的电子导电性限制了其在电化学领域的进一步应用。 电催化甲醇氧化和电解水制氢技术具有清洁、高效和可再生等优点，被认为具有较大的实际应用潜力。但是，常用的Pt/C催化剂在使用中碳载体材料容易被氧化，且贵金属Pt的使用量大，容易受CO中毒影响，限制了其商业化应用。因此，设计合适的催化剂载体，降低Pt的用量，并且提高催化剂的抗CO中毒活性具有重要意义。 本论文将SiC进行不同的修饰改性处理（如进行表面超薄碳修饰，与g-C3N4复合，制备小尺寸颗粒），通过XRD、TG、TEM、XPS、BET和UV-vis等手段对改性前、后SiC的结构、组成、形貌和电子结构等进行了一系列的表征。发现改性后的SiC比表面积和导电性都得到了显著提高。同时，负载Pt后进行电催化甲醇氧化和电化学析氢反应，发现SiC基纳米材料的电化学性能显著提高。具体研究内容和结论如下: (1)通过CCl4高温原位腐蚀SiC，制备得到了超薄碳层修饰的SiC纳米颗粒，表征发现该SiC具有较高的比表面积和导电性。将采用液相还原法制备的Pt/SiC催化剂进行电催化甲醇氧化反应，发现Pt/SiC-3催化剂在0.85V电位下具有最高的电流密度647.63mA mg-1，并且其抗CO中毒能力和稳定性也最好。结合XAFS测试和DFT计算结果可知，Pt的电子向SiC表面的碳层转移，使得Pt处于缺电子状态，从而减小了CO的吸附能，增大了OH的吸附能，提高了其催化活性。因此，SiC表面的超薄碳层不仅提高了材料的导电性和比表面积，同时也加固了Pt的负载和提高了催化剂的电化学活性。 (2)将尿素与SiC按照质量比为50∶1混合均匀后，在550℃下保温不同时间（30、60、90和120min），制备得到了不同g-C3N4含量的g-C3N4/SiC复合材料(CS30、CS60、CS90和CS120)。经过XRD、TG、UV-vis和BET等表征发现，CS90复合材料具有最合适的禁带宽度和最大的比表面积，少量的g-C3N4包覆SiC后不仅提高了光生电荷分离效率，也避免了SiC的光腐蚀。将CS90负载Pt后进行光电催化甲醇氧化反应，发现该催化剂具有比纯SiC和g-C3N4更好的催化活性。 (3)将商业SiC纳米材料在浓硫酸和氢氟酸的混合溶液中于80℃腐蚀不同时间（2、3、4和5h），制备得到了小尺寸SiC纳米颗粒。研究发现，腐蚀4h的SiC(SiC-4)颗粒尺寸最小，但是其物相保持不变。小尺寸的SiC颗粒不仅比表面积大，而且表面的Si端能自催化分解水产氢。将不同尺寸的SiC颗粒以及电化学沉积了Pt的催化剂进行电化学析氢测试，结果显示，随着SiC颗粒尺寸的减小，析氢性能明显变好，析氢过电位和Tafel斜率也最小。
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