Pt-Cu合金纳米催化剂物相与表面结构的调控及电化学性能的研究

发布时间：2017-10-23 03:32

  本文关键词：Pt-Cu合金纳米催化剂物相与表面结构的调控及电化学性能的研究

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【摘要】：燃料电池具有能量转化效率高、污染小、噪声低及再启动速度快等优点,被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁能源。质子交换膜燃料电池的阳极和阴极催化剂一般采用铂(Pt)基催化剂,其中阴极氧还原反应(ORR)的反应速率相比于阳极氢氧化(HOR)的反应速率要慢得多,因此需要更多的贵金属铂(Pt)来促进阴极反应。但是Pt价格昂贵、资源稀缺,导致Pt基催化剂成本高,限制了燃料电池大规模的商业应用。为降低Pt的用量,人们主要通过Pt与一些3d过渡金属(如：M=Fe、Co、Cu及Ni等)合金化制备Pt-M合金催化剂来降低成本,并通过调控Pt基合金纳米粒子的尺寸、形貌和晶相结构来提高催化剂的ORR活性和稳定性。本论文将Pt/C粉末放入一定浓度的硝酸铜(Cu(NO3)2)溶液中超声混合均匀,并控制Pt与Cu的摩尔比为3：1、1：1及1：3。然后将混合溶液冷冻干燥后置于N2气和N2+H2混合气体中快速加热至800℃,分别保温30min、60min和90min,再快速冷却至室温进而制备得到Pt-Cu合金纳米颗粒催化剂,以及利用电化学去合金方法调控Pt-Cu合金纳米粒子的表面结构。运用TEM、HR-TEM、XRD及XPS等手段研究Pt-Cu纳米粒子的尺寸、形貌、晶相结构,化学组成及价态,并用电化学方法测试了Pt-Cu合金催化剂的催化性能。研究结果如下：(1)可利用不同气氛的热处理来调控Pt-Cu合金催化剂的晶相结构和表面结构,Pt与Cu在N2和N2+H2下形成的Pt-Cu合金纳米粒子均匀分散在碳载体表面。在N2中合金纳米粒子的平均颗粒尺寸比N2+H2中合金纳米粒子的尺寸要大；不同摩尔比的Pt与Cu在N2和N2+H2条件下,形成的Pt-Cu合金纳米粒子的相结构明显不同,特别是在N2下保温60min形成了PtCu3有序固溶体,以及在N2+H2下Pt-Cu合金发生表面偏析现象；(2) Pt-Cu合金的晶相结构和表面结构对其电催化性能影响较大。其中在N2下,Pt与Cu摩尔比为1：3,保温90min制备的PtCu3合金催化剂电催化性能最佳；在N2+H2下,Pt与Cu摩尔比为1：1,保温90min制备的PtCu合金催化剂电催化性能最佳；(3)利用循环伏安法溶解掉Pt-Cu合金纳米粒子表面的Cu原子后,可形成表面富Pt的核壳Pt-Cu纳米粒子。其电催化性能在起始还原电位、半波电位及极限电流密度三个性能指标上均有不同程度的提高,其中在N2下,Pt与Cu摩尔比为3：1,保温60min制备的Pt3Cu合金催化剂半波电位最高,而在N2+H2条件下,Pt与Cu摩尔比为1：1,保温30min制备的PtCu合金催化剂半波电位最高。
【关键词】：Pt-Cu合金纳米粒子 有序合金 表面偏析 电化学去合金 氧还原反应
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 燃料电池的发展现状与前景11-12
• 1.2 燃料电池的工作原理及其分类12-15
• 1.3 质子交换膜燃料电池15-19
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池的优点15-16
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极氧还原反应机理16-17
• 1.3.3 Pt及Pt基合金催化剂的优缺点及影响因素17-19
• 1.4 催化剂的制备19-22
• 1.4.1 沉积-沉淀法19-20
• 1.4.2 胶体法20
• 1.4.3 溶胶-凝胶法20-21
• 1.4.4 离子交换法21
• 1.4.5 微波法21-22
• 1.4.6 电化学沉积法22
• 1.4.7 浸渍还原法22
• 1.5 本文的研究内容和创新点22-25
• 1.5.1 研究背景与研究思路22-23
• 1.5.2 研究内容23
• 1.5.3 本论文的创新点23-25
• 第二章 实验材料与研究方案25-31
• 2.1 实验药品与实验设备25-26
• 2.1.1 实验药品25
• 2.1.2 实验仪器与设备25-26
• 2.2 实验26-27
• 2.2.1 催化剂的制备26
• 2.2.2 电极的预处理26-27
• 2.3 物理与电化学表征27-28
• 2.3.1 X-射线物相及结构分析(XRD)27
• 2.3.2 催化剂表面结构及组成分析(XPS)27-28
• 2.3.3 催化剂颗粒度及形貌观察(TEM)28
• 2.4 电化学测试28-31
• 2.4.1 测试方法28-30
• 2.4.2 氧还原电催化反应的电化学表征30-31
• 第三章 不同热处理气氛调控Pt-Cu合金催化剂的晶相结构及其电催化性能研究31-47
• 3.1 Pt-Cu合金催化剂的制备31
• 3.2 Pt-Cu合金催化剂的表征31-46
• 3.2.1 Pt-Cu合金催化剂TEM检测31-33
• 3.2.2 Pt-Cu纳米粒子催化剂的XRD测试33-37
• 3.2.3 Pt-Cu纳米粒子催化剂电化学性能测试37-42
• 3.2.4 Pt-Cu纳米粒子催化剂XPS检测42-46
• 3.3 本章小节46-47
• 第四章 电化学法调控Pt-Cu合金纳米粒子催化剂的表面结构及其电化学性能研究47-68
• 4.1 实验部分47
• 4.1.1 Pt-Cu合金纳米颗粒催化剂的制备47
• 4.1.2 Pt-Cu催化剂的TEM样品制备47
• 4.1.3 电化学氧还原工作电极制备47
• 4.2 Pt-Cu合金纳米颗粒催化剂的表征47-67
• 4.2.1 Pt-Cu合金纳米颗粒催化剂物相结构检测47-52
• 4.2.2 Pt-Cu合金纳米颗粒催化剂TEM测试52-55
• 4.2.3 Pt-Cu合金纳米颗粒催化剂电化学性能测试55-67
• 4.3 本章小结67-68
• 第五章 结论与展望68-70
• 5.1 结论68
• 5.2 展望68-69
• 5.3 本论文的创新点69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-76
• 附录76
• A 攻读硕士学位期间发表论文情况76
• B 攻读硕士学位期间参加的主要科研项目76

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1 欧阳璇;Pt-Cu合金纳米催化剂物相与表面结构的调控及电化学性能的研究[D];昆明理工大学;2016年

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本文编号：1081440