三维铂基纳米材料的制备及其在直接醇类燃料电池中的应用
发布时间：2020-08-22 05:29
【摘要】：利用可持续能源来代替传统的化石能源是全球面临的主要挑战之一。直接醇类燃料电池因其效能高和环境友好等特点得到了越来越多的关注。催化剂是直接醇类燃料电池的核心部分,铂(Pt)基纳米材料是目前最有效的催化剂,然而由于Pt成本高且活性易受影响,对直接醇类燃料电池的实际应用造成了阻碍。本论文以降低催化剂成本和提高纳米催化剂的催化性能为目标,主要从纳米材料的形貌、结构和组分这几个方面对材料进行了调控,制备了组分可控的三维多孔PtCu纳米链网状材料和三维中空Pt(Au)Cu纳米网材料,随后探究了这些三维Pt基纳米材料应用于直接醇类燃料电池中的电催化性能。主要研究内容如下:1.以氨作为一种结构导向剂,水合肼为还原剂,在水相中利用一步法策略成功制备出组分可控的双金属三维多孔Pt_xCu_(100-x)纳米链网状材料(3D p-Pt_xCu_(100-x)00-x NCNs)。通过调控Pt和Cu的投料比,获得了Pt_(63)Cu_(37),Pt_(46)Cu_(54),Pt_(34)Cu_(66)和Pt_(29)Cu_(71)四种不同组分的3D p-Pt_xCu_(100-x) NCNs材料。所有3D p-Pt_xCu_(100-x) NCNs材料在碱性条件下电催化氧化乙二醇和丙三醇的活性和稳定性都要高于商业Pt/C,质量活性从强到弱都符合以下顺序:Pt_(46)Cu_(54)Pt_(34)Cu_(66)Pt_(29)Cu_(71)Pt_(63)Cu_(37)Pt/C,其中3D p-Pt_(46)Cu_(54) NCNs材料对乙二醇催化氧化的质量活性为8.38 A/mg_(Pt),对丙三醇催化氧化的质量活性为4.01 A/mg_(Pt),分别是商业Pt/C的3.58和4.01倍。这种氨介导的一步合成策略有可能在电催化应用领域用于制备其他有潜力的三维多孔Pt基纳米材料。2.设计了一种制备三维中空Pt基多金属合金纳米网材料的简单快速的策略。在水相中以硼氢化钠为还原剂,将Cu前体还原成三维Cu纳米网结构,再以此为牺牲模板,通过Pt前体或Pt和Au前体与Cu发生置换反应合成出三维中空Pt(Au)Cu纳米网结构(3D h-Pt(Au)Cu NNWs)。利用这种合成方法获得了3D h-Pt_(42)Cu_(58) NNWs和3D h-Pt_(38)Au_(17)Cu_(45) NNWs两种中空结构的材料。通过在碱性条件下探究材料对电催化甲醇、乙醇和乙二醇的性能,对比了3D h-Pt(Au)Cu NNWs材料与三维非中空Pt(Au)Cu纳米网材料和商业Pt/C的性能。结果表明,对于组成元素相同的材料,中空结构的材料都表现出了高于非中空材料的性能,且所有三维结构的多金属材料都展现出了优于商业Pt/C的催化性能。其中3D h-Pt_(38)Au_(17)Cu_(45) NNWs对甲醇氧化、乙醇氧化和乙二醇氧化都表现出了最佳的催化活性,质量活性分别为6.12 A/mg_(Pt)、8.53A/mg_(Pt)和12 A/mg_(Pt),是商业Pt/C的3.84、7.35和4.23倍。该研究为制备新颖的三维中空Pt基多金属纳米结构提供了一个简单的合成策略,对于合成高效的Pt基纳米电催化剂有一定的借鉴作用。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4
【图文】：
米晶合成过程中原子浓度随时间的变化曲线，成核和生长过程(Xia et a 1.1 The curve of atomic concentration versus time in the process of nanocynthesis, illustrating the nucleation and growth process (Xia et al 2009).生长发生在晶相和液相的界面，界面动力学对于控制晶体生长形态等相关现象起着至关重要的作用(Zhang and Liu 2014)。图 1晶体的表面示意图，它由平面区域，即所谓的平台和台阶组成成核形成的岛屿，会产生新的平台和台阶（晶体中的位错往往）。由于扭结的存在，所以台阶通常呈 Z 字形。扭结点是进入最稳定的位置，因为在那里可以形成更多的键。扭结部位可以子吸附来形成。当附着于晶体表面的平均分子数量大于单位时子数量时，晶体生长就会发生。晶体的生长表现为台阶推进和长过程中，晶体的表面形貌由岛的密度和台阶的宽度的特质来影响最终晶体的质量。此外，表面扩散、阶梯扩散和阶梯间传
图 1.2 晶体生长过程中原子的路径图(Zhang et al 2014)。 1.2 Atomic processes on the surface of a growing crystal (Zhang et al 2014学的角度出发，合成的金属纳米颗粒的表面能应该被最小化，对fcc）的金属纳米颗粒，Wulff 多面体（即截角八面体）具有最低力学上是最稳定的形貌(Lai et al 2015)。而对于实际反应，不同的不同形貌的纳米晶，图1.3给出了fcc金属纳米晶合成的一种普遍分特殊形貌的纳米材料的形成(Xia et al 2009)。在反应中，表面活附或外来离子在金属纳米晶上的低电位沉积都可能改变不同晶面性地稳定某些高能晶面，从而防止其在生长过程中消失(Niu et 2013b, Liu et al 2016)。通过改变反应温度、反应物浓度或反应物调控不同晶面上原子的生长速率，从而选择性地促进某些特定面15)。夏幼南教授课题组提出纳米晶的确切的形状是由相应的原子on）和原子扩散速率（Vdiffusion）的相对大小来确定的，这两者都是
立方堆积（fcc）的金属纳米颗粒，Wulff 多面体（即截角八面体）具有最低的总表面能，在热力学上是最稳定的形貌(Lai et al 2015)。而对于实际反应，不同的反应条件可以得到不同形貌的纳米晶，图1.3给出了fcc金属纳米晶合成的一种普遍的规律，可以说明部分特殊形貌的纳米材料的形成(Xia et al 2009)。在反应中，表面活性剂和小分子的吸附或外来离子在金属纳米晶上的低电位沉积都可能改变不同晶面的表面能，并选择性地稳定某些高能晶面，从而防止其在生长过程中消失(Niu et al 2010,Zhang et al 2013b, Liu et al 2016)。通过改变反应温度、反应物浓度或反应物添加速率，也可以调控不同晶面上原子的生长速率，从而选择性地促进某些特定面的形成(Lai et al 2015)。夏幼南教授课题组提出纳米晶的确切的形状是由相应的原子沉积速率（Vdeposition）和原子扩散速率（Vdiffusion）的相对大小来确定的，这两者都是动力学参数，可以通过改变与化学动力学有关的实验条件来操控。同时还提出当Vdeposition/Vdiffusion<1 时，合成处于热力学控制下，反之，当 Vdeposition/Vdiffusion>1 时
本文编号：2800324
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4
【图文】：
米晶合成过程中原子浓度随时间的变化曲线，成核和生长过程(Xia et a 1.1 The curve of atomic concentration versus time in the process of nanocynthesis, illustrating the nucleation and growth process (Xia et al 2009).生长发生在晶相和液相的界面，界面动力学对于控制晶体生长形态等相关现象起着至关重要的作用(Zhang and Liu 2014)。图 1晶体的表面示意图，它由平面区域，即所谓的平台和台阶组成成核形成的岛屿，会产生新的平台和台阶（晶体中的位错往往）。由于扭结的存在，所以台阶通常呈 Z 字形。扭结点是进入最稳定的位置，因为在那里可以形成更多的键。扭结部位可以子吸附来形成。当附着于晶体表面的平均分子数量大于单位时子数量时，晶体生长就会发生。晶体的生长表现为台阶推进和长过程中，晶体的表面形貌由岛的密度和台阶的宽度的特质来影响最终晶体的质量。此外，表面扩散、阶梯扩散和阶梯间传
图 1.2 晶体生长过程中原子的路径图(Zhang et al 2014)。 1.2 Atomic processes on the surface of a growing crystal (Zhang et al 2014学的角度出发，合成的金属纳米颗粒的表面能应该被最小化，对fcc）的金属纳米颗粒，Wulff 多面体（即截角八面体）具有最低力学上是最稳定的形貌(Lai et al 2015)。而对于实际反应，不同的不同形貌的纳米晶，图1.3给出了fcc金属纳米晶合成的一种普遍分特殊形貌的纳米材料的形成(Xia et al 2009)。在反应中，表面活附或外来离子在金属纳米晶上的低电位沉积都可能改变不同晶面性地稳定某些高能晶面，从而防止其在生长过程中消失(Niu et 2013b, Liu et al 2016)。通过改变反应温度、反应物浓度或反应物调控不同晶面上原子的生长速率，从而选择性地促进某些特定面15)。夏幼南教授课题组提出纳米晶的确切的形状是由相应的原子on）和原子扩散速率（Vdiffusion）的相对大小来确定的，这两者都是
立方堆积（fcc）的金属纳米颗粒，Wulff 多面体（即截角八面体）具有最低的总表面能，在热力学上是最稳定的形貌(Lai et al 2015)。而对于实际反应，不同的反应条件可以得到不同形貌的纳米晶，图1.3给出了fcc金属纳米晶合成的一种普遍的规律，可以说明部分特殊形貌的纳米材料的形成(Xia et al 2009)。在反应中，表面活性剂和小分子的吸附或外来离子在金属纳米晶上的低电位沉积都可能改变不同晶面的表面能，并选择性地稳定某些高能晶面，从而防止其在生长过程中消失(Niu et al 2010,Zhang et al 2013b, Liu et al 2016)。通过改变反应温度、反应物浓度或反应物添加速率，也可以调控不同晶面上原子的生长速率，从而选择性地促进某些特定面的形成(Lai et al 2015)。夏幼南教授课题组提出纳米晶的确切的形状是由相应的原子沉积速率（Vdeposition）和原子扩散速率（Vdiffusion）的相对大小来确定的，这两者都是动力学参数，可以通过改变与化学动力学有关的实验条件来操控。同时还提出当Vdeposition/Vdiffusion<1 时，合成处于热力学控制下，反之，当 Vdeposition/Vdiffusion>1 时
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 饶路;姜艳霞;张斌伟;游乐星;李崭虹;孙世刚;;乙醇电催化氧化[J];化学进展;2014年05期
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1 丁韬;铂基纳米结构的控制制备及其电催化性能研究[D];中国科学技术大学;2017年
2 毛俊杰;铂、钌基纳米晶的可控合成及其催化性能研究[D];清华大学;2016年
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6 牛志强;钯、铂纳米晶的调控合成与催化性能研究[D];清华大学;2012年
本文编号：2800324
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