基于纳米金的高效氧还原催化剂的制备与应用

发布时间：2020-06-21 21:53

【摘要】：近年来,发展绿色可持续的能源技术,减少人类社会对化石燃料的依赖,已经吸引了越来越多的关注。质子交换膜燃料电池(PEMFCs),因其具有的工作条件温和、能量密度高、启动速度快等优点而成为化石燃料的可能替代品。然而,燃料电池的商业化应用仍存在一些问题,而解决这些问题的关键在于研发高效的催化剂和发展先进的电化学技术。开发用于其阴极上发生的氧还原反应(ORR)的高效电催化剂对于大规模商业化PEMFCs至关重要。包括具有超小粒径的金团簇,粒径较大的金颗粒以及金的合金在内的纳米金材料,作为高效的催化剂用于ORR已引起了广泛关注。本文主要介绍,通过发展较为绿色简便的方法,设计和合成出基于纳米金的高效氧还原催化剂,并对材料进行形貌与结构表征、元素成分分析及电催化活性的测试来分析研究材料成分、结构组成与电化学活性之间的关系。主要研究内容如下:(1)通过湿化学法和物理机械法制备Au_(102)(p-MBA_(44))团簇分子与多孔碳纳米片的纳米复合材料(AuCNS)并用作ORR的高效电催化剂。实验结果表明,所得纳米复合材料在电化学测试中表现出优异的ORR活性。在0.1 mol L~(-1) KOH中,具有较高的起始电位(+0.96 V vs.RHE),较低的过氧化氢产率(+0.50~+0.80 V,H_2O_2产率20%)和优异的电化学稳定性。电化学测试和结构表征结果表明,具有30%Au负载量的样品在系列样品中表现出最高的ORR催化活性,其性能与商业铂碳相当。这些结果表明,通过一种有效的方法来制备出的负载在碳纳米片上的金纳米团簇复合材料,具有高效ORR催化性能。(2)选用具有SSKKSGSYSGSKGSKRRIL序列的多肽R5,通过简单快速的湿化学法分别制备了R5模板化的Au和Pt纳米材料并用作ORR的催化剂。研究结果表明,通过调整金属与肽的比例,可获得不同形貌的Au和Pt纳米材料。在较低的金属/多肽比例下,Au和Pt均获得球形纳米颗粒,而在较高比例时,形成纳米带和/或网状纳米链,且这些具有不同形态的Au或Pt纳米材料在碱性条件下表现出对ORR不同的活性。这些发现表明,可以通过简单快速的方法合成出由多肽模板化的贵金属纳米材料,其结构受多肽调控,且具有可观的ORR催化活性。(3)以具有NPSSLFRYLPSDAG4序列的多肽A4为模板,通过简单快速的湿化学方法引导生成了稳定的AuAg合金网状纳米粒子,但是,当只有Ag或Au金属与A4单独作用时,则纳米材料为轮廓清晰的球形颗粒。系列样品中,随着金质量的增加,可以获得更多的较大的团块。具有不同形貌的A4-AuAg纳米材料在碱性介质中表现出对ORR的有效催化活性。通过对金属与A4比率和金与银的比例进行了优化,以增强电催化性能。电化学测试和结构表征分析表明,Au:Ag:A4=10:30:1的样品在该系列中表现出最高的活性,这主要归因于多肽A4的保护作用,防止了金属-金属之间的团聚,以及Au与Ag原子之间强烈的电子作用引起的协同催化效应。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1
【图文】：

结构图,质子交换膜燃料电池,结构图,年代

华南理工大学硕士学位论文0 年的历史。1889 年，Mond L 和 Langer C 选用了铂黑为催化剂；实用型燃四氟乙烯为防水剂制备出了憎水电极）于 20 世纪 50 年代问世；燃料电池到 70 年代的石油危机影响而出现了新的浪潮，磷酸型燃料电池（PAFC）展。固体氧化物燃料电池（SOFC）在 80 年代得以开发。到了 90 年代，料电池（PEMFC）的出现给燃料电池研发技术上带来了重大突破，为燃料入了生机与活力，被视为未来电动产品的主要动力来源[8]。质子交换膜燃料电池的概述质子交换膜燃料电池的结构

形貌,矿产

第一章绪论过电化学分析测试发现，相对于其他形貌的金纳米颗粒，管佳的ORR催化活性，分析原因可能是由于Au(111)面上普遍存合成了负载在碳化钨上的 Au-Pd 合金纳米颗粒，同时考察了该的 ORR 催化反应。电化学测试结果表明，该 Au-Pd 合金纳米R 催化活性，分析原因可能是因为所选择的碳化钨支撑材料，性，通过与 Au-Pd 合金纳米颗粒复合，发生协同作用，从而[37]。、钯等贵金属，金的矿产量较丰富，且从市面价格上看（如图间，金的价格变动也较平稳(如图 1-3)，而铂的价格则呈现出开发金系的燃料电池催化剂，不仅能够极大的减少铂的用量从而推动燃料电池的商业应用进程。

【参考文献】