表面清洁的燃料电池贵金属纳米电催化剂的制备与性能研究

发布时间：2020-10-30 18:49

　　 众所周知,表面活性剂在纳米材料的合成中扮演着重要的角色,它能显著地增加材料的比表面积,从而提升催化剂的本征催化性能。但是,表面活性剂在电催化阶段却会阻碍物质的传质和电子的传递,这将抑制催化剂的催化活性。因此,寻找表面活性剂的替身是解决其在催化剂的合成及催化两个阶段的矛盾的一种有效的方法。本文主要介绍了阳离子和微生物这两种能够替代表面活性剂的物质,清洁合成出了一系列具有高催化活性及稳定性的电催化剂。主要内容如下所述:(1)表面清洁的三维钯铜合金纳米链网电催化剂的制备及其催化氧化乙醇研究。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中,乙醇在阳极发生电催化氧化反应,因此,开发高性能的阳极催化剂对PEMFC的商业化发展具有至关重要的作用。本文第二章使用金属盐替代了传统的表面活性剂,通过一锅法快速制备了三维PdCu合金纳米链网材料。通过改变钯前体和铜前体的比例,能够精确调控PdCu合金的成分。由于该合金纳米链网材料具有如下几个性质,其电催化氧化乙醇的活性和稳定性都极佳。首先,Cu原子与Pd原子形成合金后,改变了 Pd原子表面的电子结构。其次,三维链网结构使材料疏松多孔,具有较大的比表面积,且无需其他碳载体。再者,该免表面活性剂的合成方法使催化剂的表面非常清洁,有利于反应物分子与催化剂的传质以及电荷传递。此外,使用Cu替换一部分的贵金属可以节约贵金属的用量,降低催化剂的制作成本。在电催化氧化乙醇的反应中,该材料的电化学活性面积为80.95 m2g-1,质量活性为 6.16 A mg-1。(2)微生物合成钯金/石墨烯复合纳米材料及其电催化氧化乙醇和甲酸研究。除了离子以外,微生物也可以用来替代传统的表面活性剂。本文的第三章首次将微生物合成纳米粒子与水热处理法相结合,成功制备出了一种杂原子掺杂的三维多孔PdAu合金/rGO复合材料(DPARH),不仅解决了传统高温碳化方法导致纳米粒子大量聚集的问题,同时赋予了催化剂很多新的特性,大大提高了其催化性能。通过利用电化学活性微生物Shewanella oneidensis MR-1自身的胞外电子传递作用,在其表面原位还原了不同比例的Pd纳米颗粒和Au纳米颗粒。随后加入GO,让微生物与GO继续发生电子传递过程。在微生物还原GO的过程中,二者会自组装缠绕成三维多孔的空间骨架,避免了化学表面活性剂的使用。随后,将这种微生物/PdAu双金属/GO三明治结构的纳米材料放置于200℃烘箱中,水热反应6 h,便可得到DPARH。水热过程中共发生了以下转变:Pd纳米粒子和Au纳米粒子这两种金属融合为合金、微生物发生碳化、GO被还原成rGO、杂原子(N、P、S等)掺杂等。微生物在整个材料的合成中分饰多角:还原Pd和Au纳米颗粒、载体、杂原子来源等。电化学测试表明,DPARH在1M KOH与1M CH3CH2OH条件下,对乙醇的电催化氧化的质量活性和面积活性分别为商业Pd/C的6.15倍和5.8倍;在0.5 M H2SO4+0.5 M HCOOH条件下,对甲酸电催化氧化的质量活性和面积活性分别为商业Pd/C的6.58倍和6.32倍。此外,该催化剂在两种条件下的稳定性也均优于商业Pd/C。(3)微生物辅助合成多孔铂纳米球及其电催化氧气还原研究。在PEMFC中,氧气在阴极发生电催化还原反应(ORR),因此,提升燃料电池阴极催化剂的性能对PEMFC的商业化发展同样起到的了至关重要的作用。多孔电催化剂不仅仅增加了比表面积,提高了反应分子的传质过程,而且提高了固相之间的电子传递能力。但是,由于多孔材料的比表面积极大,在合成过程中如果缺少表面活性剂的保护,这些纳米材料极易发生聚集,难以得到多孔结构。因此,在传统的化学合成方法中,都不可避免需要添加一定量的表面活性剂来稳定多孔材料。但是,表面活性剂很难清洗干净且会极大降低催化剂的催化性能,因此,在无表面活性剂的条件下合成多孔纳米材料是一大挑战,也是一大机遇。本文的第四章利用微生物取代传统化学合成法中的表面活性剂,首次提出了一种无需表面活性剂就能制备多孔Pt纳米球的清洁合成方法。通过利用微生物自身的还原作用,在其表面原位还原一层Pd纳米颗粒。然后以这些Pd纳米颗粒为种子,使用抗坏血酸还原K2PtC14到Pd纳米颗粒的表面,得到葡萄串状的多孔Pt纳米球。由于微生物在水中的分散性极好,且不会发生相互融合,该反应无需添加任何表面活性剂就能防止多孔材料相互聚集。最后使用HC1去除导电性较差的细菌载体,得到多孔Pt纳米球(BPPS)。其电催化氧气还原的质量活性和面积活性分别是商业Pt/C的3.8和4.19倍,半波电位正向移动34mV。此外,BPPS的稳定性也优于商业Pt/C,10000循环快速稳定性扫描后,BPPS的半波电位只负移了 3 mV,而商业Pt/C的负移了 21 mV。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4;TB383.1;O643.36
【部分图文】：

图１．１?ＰＥＭＦＣ的结构示意图（Ｄｅｂｅ，２０１２）

?表面清洁的贵金属纳米电催化剂的制备与燃料电池应用???贵金属纳米材料是指组成成分中含有一种或多种贵金属元素（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、??Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ等），且三维空间中至少有一个维度介于１－１００ｎｍ之间的纳米结构，??己被广泛应用于能源、医药、电子以及航空航天等领域（Ｃａｍｄｅｎ?ｅｔａｌ．，?２００８；?Ｃｈｅｎ?ｅｔ??ａｌ．，?２０１０ｂ；?Ｌｉｕ?ｅｔａｌ．，?２０１５ａ；?Ｓｉｎｈａｅｔａｌ．，?２０１６）。其中，Ｐｔ?基、Ｐｄ?基贵金属纳米材料由??于其优异的电催化性能，长期占据了燃料电池电催化剂明星榜榜首（李奇等，２０１７；南??睹雄等，２０１８；?Ｓｔａｍｅｎｋｏｖｉｃ?ｅｔ?ａｌ．，２００７ｂ）。由于贵金属纳米材料的电学性能具有极强??的尺寸依赖性，因此，调控贵金属纳米电催化剂的组成、大小、形貌及微结构等是??改善其电催化性能的核心方法（Ｇｕｏ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１１；?Ｓｔａｍｅｎｋｏｖｉｃ?ｅｔ?ａｌ．，２００７ａ）。??Ｅｘｔｅｎｄｅｄ?ｓｕｒｆａｃｅ?ａｒｅａ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ?Ｄｉｓｃｒｅｔｅ?ｌｏｗ－ａｓｐｅｃｔ－?Ｄｉｓｃｒｅｔｅ?ｌｏｗ－?Ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ??ｒａｔｉｏ?ｎａｎｏａｒｔｉｃｌｅｓ?ａｓｅｃｔ－ｒａｔｉｏ?ｎａｎｏａｒｔｉｃｌｅｓ??

理论上而言，材料的尺寸越小，其比表面积则越大，表面原子占比也越高，催??化活性也越大。但是，材料相应的表面能也会随着尺寸的缩小而急剧变大，导致纳??米粒子极不稳定，容易自发地发生聚集或熟化成球状结构以减少表面能。以图１．３的??水滴模型为例，水滴外表面的水分子与周围空气之间的相互作用力极弱，但其与内??层的水分子之间存在着极强的氢键作用力，因此该表面分子将受到一个垂直于水／空??气界面的作用力，也叫做表面张力。为了平衡这种表面张力，液滴才呈现出球状结??构。从化学的角度看，表面原子比内部原子更活泼，能量更高，因此，为了提高水??滴的稳定性，就应该减少水／空气界面而增加水／水界面，也就是通过形成球形而减小??比表面积。由此可知，材料内部强大的相互作用力是液滴自发降低比表面积的驱动??力。??同理可知，球状纳米液滴同样可以用表面能来解释。一个狭小区域的的表面原??子越多
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本文编号：2862862