Pt基纳米催化剂的优化设计及电催化性能研究
发布时间：2021-06-27 12:45
能源的可持续供应是能源问题的核心,由于消费需求的增加和储量限制,化石燃料不再是一种有保障的能源。在未来可再生能源系统中,质子交换膜燃料电池成为一种重要的能源转换设备。从传统内燃机到质子交换膜燃料电池,无论是在能源结构还是环保方面都发生了重大突破。质子交换膜燃料电池具有环保,室温启动快,结构简单和能量密度高等优点,但由于电化学反应动力学缓慢引起的高过电位,电池的整体效率受到了一定的限制。Pt基纳米催化剂可以缓解这一问题。本文采用不同的策略,优化设计并合成了高性能Pt基纳米催化剂,并对其电催化特性进行了研究讨论。具体研究内容如下:（1）开发高效、稳定的电催化剂是燃料电池走向实用的关键。为了解决催化剂因尺寸效应引起的催化活性和稳定性之间的矛盾,采用简便的一步溶剂热法设计合成了具有一维链状结构的Pt-Ni合金纳米颗粒催化剂。链状Pt-Ni纳米颗粒由平均尺寸约为10 nm的纳米颗粒和直径约为3 nm、长度为几百纳米的纳米线组装而成,该结构具有零维纳米颗粒高的比表面积和一维纳米线高的结构稳定性优势,可显著提高甲醇氧化反应的催化活性和稳定性,其质量活性和比活性分别是商业Pt/C纳米催化剂的5.7倍和...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
尺寸效应影响下的质量活性活性趋势图[9].Chorkendorff及其同事使用质量选择的粒径分布非常窄的Pt纳米颗粒研究
1绪论3向从而影响ORR活性。随着粒径尺寸的增加，Pt(111)面的比例增加，从而导致了较大的颗粒会具有高的比活性[14]。然而，在不同的电解质(HClO4，H2SO4和KOH)中观察到相似的活性趋势，这表明纳米粒子粒径尺寸引起的配位数改变是影响ORR活性主要因素[15]。与先前的报道相反，Nesselberger等人的研究表明，对于负载型催化剂而言，比活性不受纳米粒子尺寸影响，而是受纳米颗粒中颗粒接近度的高度影响。不同粒径尺寸的纳米颗粒其比活性差异很小，在误差范围内[16]。考虑到比活性的趋势，还应通过增加纳米颗粒尺寸来提高质量活性。然而，表面积/体积比与纳米颗粒尺寸之间存在反比关系，当增加纳米颗粒尺寸时，Pt纳米颗粒的利用率会急剧下降。因此，为了平衡这两种活性趋势，Pt纳米颗粒需要控制在一个最佳尺寸范围内。图1.2不同尺寸大小的纳米颗粒在稳定性测试之前(蓝色条)和之后(红色条)的电化学活性比表面积[17].与活性趋势相反，纳米颗粒的稳定性和尺寸之间的相关性仍不明确。最近的研究表明，一般而言，较大的颗粒稳定性更高。如图1.2所示，与7.2nm的Pt颗粒相比，经过加速耐久性测试，2.8nm的Pt纳米颗粒的电化学表面积(electrochemicallyactivitysurfacearea,ECSA)发生了严重损失。此外，2.8nm样品的质量活性和比活性也发生了严重的损失如图1.3(a)和(b)，具体来讲，其质量活性从约440mA·mgPt-1降低到约230mA·mgPt-1，下降48％，而7.2nm样品的质量活性仅下降7％[17]。单金属Pt纳米颗粒和Pt基合金纳米颗粒都显示出类似的严重失活趋势，即随纳米颗粒尺寸减小稳定性变差[18]。根据上述报道，纳米颗粒催化活性与稳定性之间的关系可以归纳如下：当纳米颗粒尺寸减小时，活性增
1绪论4加，而稳定性下降(如图1.4)，这就是普遍意义上的尺寸效应。因此，在保持高活性的同时增加纳米颗粒的稳定性对于纳米颗粒设计至关重要。图1.3不同尺寸大小的纳米颗粒在稳定性测试之前(蓝色条)和之后(红色条)的质量活性(a)和比活性(b)[17].图1.4纳米颗粒大小对其电催化活性和稳定性性的影响示意图[9].
【参考文献】：
期刊论文
[1]室温铁磁性CoPt纳米截角八面体的简易合成及超高电催化特性表征（英文）[J]. 夏田雨,刘家龙,王守国,王超,孙阳,王荣明. Science China Materials. 2017(01)
[2]Pt-Au核-壳结构纳米粒子热稳定性的分子动力学研究[J]. 汪志刚,黄娆,文玉华. 物理学报. 2013(12)
[3]铂纳米颗粒生长和表面结构的理论预测[J]. 陈熙,林正喆,殷聪,汤浩,胡蕴成,宁西京. 物理学报. 2012(07)
[4]立方铂纳米粒子的形状变化与熔化特性的分子动力学研究[J]. 田惠忱,刘丽,文玉华. 物理学报. 2009(06)
[5]铂纳米晶在升温过程中结构演化与熔化特征的原子级模拟研究[J]. 文玉华,张杨,朱梓忠,孙世刚. 物理学报. 2009(04)
本文编号：3252874
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
尺寸效应影响下的质量活性活性趋势图[9].Chorkendorff及其同事使用质量选择的粒径分布非常窄的Pt纳米颗粒研究
1绪论3向从而影响ORR活性。随着粒径尺寸的增加，Pt(111)面的比例增加，从而导致了较大的颗粒会具有高的比活性[14]。然而，在不同的电解质(HClO4，H2SO4和KOH)中观察到相似的活性趋势，这表明纳米粒子粒径尺寸引起的配位数改变是影响ORR活性主要因素[15]。与先前的报道相反，Nesselberger等人的研究表明，对于负载型催化剂而言，比活性不受纳米粒子尺寸影响，而是受纳米颗粒中颗粒接近度的高度影响。不同粒径尺寸的纳米颗粒其比活性差异很小，在误差范围内[16]。考虑到比活性的趋势，还应通过增加纳米颗粒尺寸来提高质量活性。然而，表面积/体积比与纳米颗粒尺寸之间存在反比关系，当增加纳米颗粒尺寸时，Pt纳米颗粒的利用率会急剧下降。因此，为了平衡这两种活性趋势，Pt纳米颗粒需要控制在一个最佳尺寸范围内。图1.2不同尺寸大小的纳米颗粒在稳定性测试之前(蓝色条)和之后(红色条)的电化学活性比表面积[17].与活性趋势相反，纳米颗粒的稳定性和尺寸之间的相关性仍不明确。最近的研究表明，一般而言，较大的颗粒稳定性更高。如图1.2所示，与7.2nm的Pt颗粒相比，经过加速耐久性测试，2.8nm的Pt纳米颗粒的电化学表面积(electrochemicallyactivitysurfacearea,ECSA)发生了严重损失。此外，2.8nm样品的质量活性和比活性也发生了严重的损失如图1.3(a)和(b)，具体来讲，其质量活性从约440mA·mgPt-1降低到约230mA·mgPt-1，下降48％，而7.2nm样品的质量活性仅下降7％[17]。单金属Pt纳米颗粒和Pt基合金纳米颗粒都显示出类似的严重失活趋势，即随纳米颗粒尺寸减小稳定性变差[18]。根据上述报道，纳米颗粒催化活性与稳定性之间的关系可以归纳如下：当纳米颗粒尺寸减小时，活性增
1绪论4加，而稳定性下降(如图1.4)，这就是普遍意义上的尺寸效应。因此，在保持高活性的同时增加纳米颗粒的稳定性对于纳米颗粒设计至关重要。图1.3不同尺寸大小的纳米颗粒在稳定性测试之前(蓝色条)和之后(红色条)的质量活性(a)和比活性(b)[17].图1.4纳米颗粒大小对其电催化活性和稳定性性的影响示意图[9].
【参考文献】：
期刊论文
[1]室温铁磁性CoPt纳米截角八面体的简易合成及超高电催化特性表征（英文）[J]. 夏田雨,刘家龙,王守国,王超,孙阳,王荣明. Science China Materials. 2017(01)
[2]Pt-Au核-壳结构纳米粒子热稳定性的分子动力学研究[J]. 汪志刚,黄娆,文玉华. 物理学报. 2013(12)
[3]铂纳米颗粒生长和表面结构的理论预测[J]. 陈熙,林正喆,殷聪,汤浩,胡蕴成,宁西京. 物理学报. 2012(07)
[4]立方铂纳米粒子的形状变化与熔化特性的分子动力学研究[J]. 田惠忱,刘丽,文玉华. 物理学报. 2009(06)
[5]铂纳米晶在升温过程中结构演化与熔化特征的原子级模拟研究[J]. 文玉华,张杨,朱梓忠,孙世刚. 物理学报. 2009(04)
本文编号：3252874
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