铂镍异形结构纳米催化剂的制备及其电催化性能研究

发布时间：2020-08-02 04:00

【摘要】：通过合理的设计贵金属纳米颗粒的尺寸、形貌、组分和表面状态将最大化原子利用率会有效提高电催化剂的高活性和耐久性。因此提出了多种的有效策略,主要可分为两大类:(1)添加另一种3d过渡金属(镍、钴、铜、铁)可以形成Pt合金,从而改变活性表面位点的可用性(整体效应)或反应物,中间体和产物的结合强度(电子和应变效应),并且进一步降低了铂的用量,这样可以显著提高合金催化剂的电催化性能,(2)合成具有独特纳米结构和形貌的铂基颗粒,比如一维结构的纳米线和纳米棒,二维结构的纳米片,三维结构的八面体、十二面体,刺球状,以及各种纳米框架和纳米笼。此类的纳米结构晶体具有超高的比表面积以此提供更多的活性位点,最大效率地提高Pt原子的利用率,最终来实现催化剂活性和稳定性的提高。在各种各样的合成策略中,铂基纳米催化剂的形貌、表面结构和化学组成是我们首先考虑的因素,是实验研究中重中之重。如果能够有效地调控这些因素并且使之发挥最大的效用,那么对于基础研究和基于应用的研究都具有里程碑式的意义。在本论文中,我们探索并开发了一种简单、易控的溶剂热法来制备各种各样的的纳米晶体催化剂的方法,并且能够对其形貌、表面结构和化学组分做到有效而精准的调控。实验的研究结果表述如下:(1)通过一锅溶剂热法一步合成了具有超支化纳米结构的铂镍(Pt-Ni)纳米结构,该结构催化剂由分散均匀的纳米颗粒组成。在电化学测试结果中,Pt-Ni超支化纳米结构作为氧还原反应催化剂,具有比Pt-Ni纳米颗粒和商业Pt/C催化剂更高的电催化活性和稳定性。其出色的电催化性能得益于超支化纳米结构往往具有许多活性位点,这使Pt原子利用率最大化,并且Pt-Ni超支化纳米结构具有大量尖端,导致尖端聚集大量电荷,引起尖端效应;另一方面就是Pt元素和Ni元素之间形成协同效应。(2)首次制备交叉式双哑铃铂镍(Pt-Ni)纳米结构,它是由多个纳米片通过中间的晶体核连接而成,形成一个开放的三维立体结构。电化学测试结果表明该三元纳米合金在醇氧化和氧还原反应中表现出出色的催化活性,以及极高的抗CO毒化性能,其主要原因在于Pt-Ni双金属合金中的晶格失配应变会导致d带中心的降低,这会削弱Pt和O之间的吸附能,从而提高ORR的电催化性能。另一方面,Ni的存在会降低催化剂表面上的含氧物质如CO的化学吸附,从而提高MOR期间的CO耐受性。另外Pt和Ni之间的协同效应有利于增强ORR和MOR。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;O643.36
【图文】：

广西大学硕士学位论文铂镇异形结构纳米值化剂的制备及其电值化性能研究逡逑子，即发生了电化学氧化反应（阳极反应）：逡逑Ｈ２＾２Ｈ＋＋２ｅ＇逦Ｅ邋＝邋ＯＶ逦（１－１）逡逑随后产生的质子穿过质子交换膜最终到达阴极催化剂层，与此同时外电路的逡逑子通过阴极气体扩散层到达阴极催化剂层，最终电子，氢离子和氧气聚集在一逡逑发生氧气的电化学还原反应（阴极反应）：逡逑１／２邋０２邋＋邋２邋Ｈ＋邋＋邋２邋ｅ逦Ｈｉ0邋Ｅ＝邋１．２３邋Ｖ逦（１－２）逡逑则合并起来的总的反应式是：逡逑Ｈ２邋＋邋１／２邋０２邋＾邋Ｈ２０逦Ｅ＝邋１．２３邋Ｖ逦（１－３）逡逑：ｉ极板逡逑

交换膜燃料电池中的氧还原反应机理逡逑逦ｉｔ逦逡逑0２＾0２，ｄ＾邋Ｈ２0２．ａＡＨ２0逡逑ＬｖＪｌｈ逡逑ｎ２ｏ２逡逑图１－３氧还原反应机理图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑氧还原的反应机理（如图１－３）可以更清楚地了解反应速率控制影响因素，进而能够从机理方面去改进和完善阴极催化剂。逡逑

逦Ｏｘｙｇｅｎ逡逑Ｈ邋２逦ＡｎｏｄｅＩＣａｔｈｏｄｅ逦0２逡逑＿逡逑Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ邋Ｉ逡逑图１－２单个燃料电池的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｉｎｇｌｅ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑１．２质子交换膜燃料电池中的氧还原反应机理逡逑逦ｉｔ逦逡逑0２＾0２，ｄ＾邋Ｈ２0２．ａＡＨ２0逡逑ＬｖＪｌｈ逡逑ｎ２ｏ２逡逑图１－３氧还原反应机理图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑研宄氧还原的反应机理（如图１－３）可以更清楚地了解反应速率控制步骤，逡逑探宄各种影响因素，进而能够从机理方面去改进和完善阴极催化剂。逡逑在ＰＥＭＦＣ的酸性溶液中，氧还原反应总方程式如下所示：逡逑０：邋＋邋４Ｈ＋邋＋邋４ｅ－邋＾邋２Ｈ２０逦Ｅ＝邋１．２３邋Ｖ逦（１－７）逡逑在ＰＥＭＦＣ的碱性溶液中，氧还原反应总方程式如下所示：逡逑0２邋＋邋２Ｈ２０邋＋邋４ｅ邋＾邋４０Ｈ－逦Ｅ邋＝邋０．４０邋Ｖ逦（１－８）逡逑氧还原基本上有２种路径，分别是直接四电子还原路径和间接二电子还原路逡逑径，主要区别在于两种从氧气生成水（０２—Ｈ２０）的过程中氧气分子之间

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本文编号：2778132