共溅射法制备的Pt-C薄膜的微观结构和电化学性能的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中科院等离子体物理研究所 作者:廖建平

  用共溅射的方法制备了Pt-C薄膜,薄膜由Pt纳米粒子和非晶C组成。电子显微镜和X射线衍射的测试结果显示Pt纳米粒子镶嵌在非晶C之中。高分辨率透射电子显微图像证实了2~3 nm的Pt粒子镶嵌于非晶C层中。Pt和Pt-C薄膜的电化学特性是通过循环伏安法来研究的,电解液为氮气饱和的0.5g/mol的硫酸溶液。与纯Pt薄膜相比,Pt-C薄膜显示了更高的电化学活性面积,这主要是由于非晶C支撑基材的存在降低了Pt纳米颗粒的粒径。

  关键词:共溅射;Pt薄膜;Pt-C薄膜;电化学活性面积

  近来, 以非晶为基质的金属纳米复合结构材料得到了广泛的研究, 由于它们在物理、化学、催化等方面的特殊性能而被用于各种应用[1-11]。共溅射方法是用于制备这种纳米结构材料的最有前景的几种方法之一。另外, 在许多金属/ 非晶基体的纳米复合材料中, Pt/ 非晶基体催化剂被许多研究小组研究过, 例如, Lee[7] 以及合作者用共溅射法制备了纳米结构的Pt/ Fe-磷酸盐薄膜电极用于甲醇的氧化。Kim 等[8] 用射频磁控共溅射系统制备了新型的P-tNiO 和P-t TiO2 对电极。Ahn 等[9-11] 使用共溅射方法制备了P-t CuO 和P-t CeO2 纳米复合材料用于直接甲醇燃料电极, 结果表明, 与纯Pt 电极相比, 这些电极显示出了更高的催化氧化甲醇的活性; 同时也用这种方法研究了纳米结构的Pt 对用于微电化学容器的Co3O4 电极的电化特性的影响[11] 。

  在本文的工作中, 用共溅射方法制备了纳米结构的P-t C 薄膜, 比较了它与用传统溅射方法制备的纯Pt 电极的微观结构以及电化学性能。当溅射纯Pt 的时候, 由于Pt 原子之间结合优先于Pt 与支撑物的结合, 因而到达支撑物上的Pt 原子扩散并形成岛状的结构[8] 。岛状的Pt 原子团由于联合效应而最终形成了Pt 薄膜, 然而, 当Pt 与C 一起进行溅射时, 由于C 的存在, 岛状Pt 的联合效应受到了限制,这导致了纳米Pt 晶粒与非晶C 混合的新型薄膜的形成[ 8] 。本工作的目的是共溅射Pt 与C 从而降低纳米颗粒的粒径以提高它的电化学活性面积。


  在碳纸上溅射沉积Pt 和共溅射沉积P-t C在碳纸上用传统的射频磁控溅射沉积装置在室温下分别溅射沉积Pt 和P-t C 薄膜, 靶与基底之间的距离保持在510 cm。磁控溅射装置包括了一个不锈钢腔体, 一个机械泵和一个分子泵将真空抽至610@ 10- 3 Pa 以下, 一个针阀控制溅射气体Ar 的气压。当溅射Pt 的时候, 射频功率以及溅射气体气压分别保持在110 W 和510 Pa。Pt 靶的尺寸为40 mm@ 40mm @ 2 mm。当共溅射P-t C 时, 溅射参数与溅射纯Pt 的一样, 在这种情况下, 碳靶( 40 mm @ 20 mm @ 2mm) 被置于Pt 靶上, 如图1 所示, Pt 和C 被同时溅射。

  通过共溅射方法得到了纳米结构的P-t C 薄膜,HRTEM, XRD 和XPS 结果表明了在非晶C 层中有纳米Pt 粒子。与Pt 相比, 支撑物如C 的引入对Pt 的催化活性起到了促进的作用, P-t C 薄膜表现出了很高的电化学活性面积, 这可能由于C 的引入降低了Pt 的粒径, 从而增大了它的电化学活性面积。

  Abstract: The nano-structured Pt-C films were deposited by co-sputtering of Pt and C targets on substrates of carbon and Si.The microstructures and properties of the Pt-C films were characterized with X-ray diffraction,X-ray photoelectron spectroscopy,high resolution transmission electron microscopy,and cyclic voltammetry.The results show that the Pt nano-particles,2~3 nm in diameter,embedded in an amorphous C matrix,dominates in the Pt-C films.The cyclic voltammetry study of the Pt and Pt-C films,in N2-saturated 0.5 g/mol H2SO4 aqueous solution,indicates that the Pt-C films possess a much larger area with high electrochemical activity than that of the control sample,possibly because of the small size of the carbon-isolated Pt nano-particle.

  Keywords: Co-sputtering,Pt thin film,Pt-C thin film,Electrochemically active surface area

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