分级多孔结构金属纳米材料的制备及其氧催化性能

发布时间：2020-08-09 03:38

【摘要】：能源危机和环境污染等问题日趋严重,使得燃料电池、电解水制氢等新能源转化技术愈发受到重视。燃料电池阴极的氧还原反应(ORR)和电解水阳极的析氧反应(OER)均涉及四电子转移过程,该过程动力学速率低,使反应过程受到较大的限制。目前,常用的ORR和OER催化剂仍然是贵金属催化剂,如:Pt、Pd、Ru02、Ir02等。催化剂粒子尺寸、形貌和组成是影响催化材料电催化活性和稳定性的关键参数。近来,由纳米片、纳米线、纳米棒等初级结构单元构成的、具有分级多孔结构的纳米材料因其独特的结构特性,如较多的纳米孔洞、较大的比表面积以及三维互联结构等,受到越来越多的研究者的关注。较多的纳米孔洞能促进目标分子在电极上扩散;较大的比表面积能避免碳载体的使用,从而可以消除因碳载体的腐蚀对催化剂性能的影响,同时,较大的比表面积还能减少贵金属的使用量;三维互联结构能有效降低贵金属纳米粒子的溶解、迁移、聚集及Ostwald熟化。本论文主要通过小分子胺还原法和硬模板法来制备具有分级多孔结构的金属纳米材料,将其分别作为ORR和OER催化剂应用于燃料电池和电解水制氢。其合成方法简单高效,绿色无毒,具有很好的应用前景。主要研究内容包括:(1)通过N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)简便快速地合成Pd纳米蒲公英(Pd HBDs)催化剂,Pd HBDs是由4～5 nm的Pd纳米线组成的高枝晶化分级多孔材料。合成过程中,含有氨基和双键的MBAA同时充当配位剂、还原剂和形貌导向剂。在碱性介质中,Pd HBDs对氧还原的起始电位为1.02 V(vsRHE),半波电位0.863 V(vs RHE),远大于商业化Pd black催化剂。Pd HBDs的催化过程是四电子转移途径,因此,它不仅催化活性好而且转化效率高。在氮气饱和的电解液中进行加速稳定性测试,半波电位仅衰减了 8.1 mV;通过暂态计时电流法,20000s之后电流依然保持了 77.8%,两种结果均表明Pd HBDs具有良好的电化学稳定性。(2)利用硬模板法制备了具有分级多孔结构的多孔Pt纳米片。通过控制反应条件,使贵金属前驱体在硬模板(NaCl)表面生成包覆层,然后在独特的气-固相反应过程中还原得到疏松多孔的二维Pt纳米片。实验表明前驱体与模板的比例对催化剂形貌的影响很大。电化学测试发现,多孔Pt纳米片在碱性介质中,极大地提高了对氧还原反应的催化活性和稳定性。多孔Pt纳米片的半波电位0.896 V(vs RHE)比Pt black的0.882 V(vs RHE)更正。多孔Pt纳米片在0.9 V(vs RHE)下的电流密度为5.09 mA cm-2,是商业化Pt black的1.8倍。通过加速稳定性测试和计时电流测试,我们也发现Pt纳米片具有更好的电化学稳定性和结构稳定性。(3)以NaCl作硬模板,CoCl2作前驱体,NaH2PO2作磷源,NH3作还原气,在600℃下同时还原与磷化,合成一种N、P共掺杂分层多孔Co/CoxMy(M=P,N)纳米片。将Co/CoxMy应用于电解水的阳极反应,发现其具有优异的析氧性能。Co/CoxMy对OER的过电势小、电流密度大、Tafel斜率低以及具有较好的长期稳定性,优于对比样(Co/CoxPy和Co/CoN)和商业化Ru02催化剂。值得注意的是,在电流密度为10.0 mA cm-2时,Co/CoxMy的过电势为334 mV,远低于RuO2的过电势,但在1.65 V(vs RHE)电位时电流密度快速增长为100.03 mA ccm-2,是商业RuO2的5.2倍。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;TB383.1;TM911.4
【图文】：

化剂易于剥离。正由于这些优势，模板法近年来受到众多研宄者的关注。例如，唐亚逡逑文教授课题组用修饰后表面带正电荷的Ｐ－ＦｅＯＯＨ作硬模板，金属前驱体在其表面原逡逑位还原制备了邋ＰｔＦｅ金属间化合物纳米管（图１．２）。逡逑Ｖ邋＼逦＼逡逑Ｐｏｌｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦ＰｔＣＩ４＇邋Ｈｅａｔ邋Ａｃｉｄ邋Ｅｔｃｈｉｎｇ逡逑ｙｖ—ｉ＞－逦—＞＝ｈ＞＝ｈ＞逡逑Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ逦ＮａＢＨ４邋Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ逡逑／邋＇邋／邋＼邋／邋％逡逑ＦｅＯＯＨＮＲｓ逦｝逡逑、？－一逦ｆｃ逦１邋＞＞邋ｋ．．邋＞逡逑Ｃｈａｒｇｅｄ邋ＦｅＯＯＨ邋ＮＲｓ邋＼邋｜逦＾逦＾邋Ｉｎｔｅｒｍｅｌａｌｌｉｃ邋ＰｔＦｅ邋ＮＴｓ逡逑图１．２邋ＰｔＦｅ金属间化合物纳米管的制备流程逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＰｔＦｅ邋ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ邋ｃｏｍｐｏｕｎｄ邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ逡逑（３）晶种法逡逑晶种法起源于上世纪末，现己经广泛应用于制备贵金属纳米材料。其基本原理大逡逑致分为两步，首先需要制备合适的纳米晶体作为后续多相成核的位点，然后改变前驱逡逑体、还原剂、形貌导向剂、还原温度、溶液ｐＨ等因素使金属原子在晶种表面逡逑生长成特殊形貌的纳米晶。晶种法避免了二次成核过程，能够有效控制贵金属纳米晶逡逑体的组成、结构与粒径大小。例如，中科大江海龙教授［２３］课题组在反应体系中引入锆逡逑－卟啉作为靶向ＭＯＦｓ晶种，成功地实现了多种ＭＯＦ混合物的有效分离和纯相ＭＯＦ逡逑的合成（图１．３）。通过引入晶种，绕过了产生混合核的ＭＯＦｓ成核阶段，从而保证了逡逑产物形貌的均一性。此外

＾■0！＾＾＾＾－0！８ＳＶ＾＾！９０＾＾＾０．９３邋Ｖ邋－０．９５邋＼’逡逑■■ｕｙＬｉ逡逑图１．５不同电位下得到的Ａｕ纳米晶的ＳＥＭ图和ＴＥＭ图＿逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋ＳＥＭ邋ａｎｄ邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ａｕ邋ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ逡逑１．１．２．２贵金属纳米材料的应用逡逑作为纳米材料的一个重要组成部分，贵金属纳米材料由于其独特的性质和日益成逡逑熟的制备方法在化学催化、环境产业以及生物医疗方面得到了广泛的应用［３１＿３４］。逡逑（１）

＾逡逑Ｍｅｌａｍｉｎｅ逡逑图１．６Ｃｏ２Ｐ／ＮＰＣＮＴ的合成示意图Ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋１．６邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｏｆＣ0２Ｐ／ＮＰＣＮＴ逡逑１．１．３．１过渡金属纳米材料的应用逡逑（１）在能源催化领域的应用逡逑由过渡金属元素及其化合物制备的纳米复合材料在能源催化领域应用极为广泛。逡逑例如，Ｍ－Ｎ－Ｃ（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等）催化剂在碱性介质中对氧还原反应（ＯＲＲ）有良好的催逡逑化活性，为开发非铂ＯＲＲ催化剂提供了新途径，广泛应用于催化燃料电池阴极反应。逡逑８逡逑

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