高熔点金属掺杂的低铂合金材料的制备及性能调控的研究
发布时间：2021-08-04 19:52
氧还原反应（ORR）对于燃料电池等新能源技术的开发具有重要的意义。然而,ORR的反应机理复杂,反应速率缓慢,并且伴随着巨大的活化能垒,需要催化剂诱导生成低能量的中间物来促进反应的进行。目前能实际运用在燃料电池中的ORR催化剂大部分都具有很高的贵金属Pt负载,比如商业Pt/C催化剂。但是,贵金属Pt属于稀缺的资源,价格昂贵,是使得燃料电池的制作成本一直居高不下的原因之一,也间接导致了燃料电池的商业化应用迟迟不能实现。为了减少Pt的使用量,降低成本,开发出具有高性能的低铂含量ORR催化剂,促进燃料电池的大规模应用,本课题开发了铂（Pt）-镨（Pr）和铂（Pt）-钴（Co）-钨（W）等Pt基二元合金催化剂、Pt基三元合金催化剂作为商业Pt/C的替代品。Pt基合金催化剂不仅能大大降低贵金属Pt的使用量,同时还能进一步提高催化剂的电催化性能。本课题制备了一系列不同的Pt基合金,探索了其形貌、结构以及ORR催化性能,最后利用XPS、XAS、DFT等手段对于催化剂电催化性能提高的原因进行了详细地分析。本课题有助于进一步弄清楚氧还原反应复杂的动力学过程以及对制备新一代低成本高性能电催化剂有一定的指导作...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１酸性溶液中ＯＲＲ过程示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＯＲＲ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｉｎ?ａｃｉｄ?ｓｏｌｕｔｉｏｎ??
。１、表面积，有利于催化剂粒子在其上负载得更多；２）、合适的孔隙率，促进气流；３）、??高电导率；４）、工作条件下的高稳定性。目前应用最广泛的碳材料催化剂载体是炭黑，??它具有良好的导电性和大的比表面积，但是炭黑载体与金属颗粒的结合力不甚强，并??且在燃料电池运行阶段容易遭受腐蚀，使得金属颗粒更容易脱落。碳纳米管（ＣＮＴ）??具有很多优点，是可以代替炭黑的载体之一。ＣＮＴ具有高导电性，高比表面积，拥有??许多中孔结构，使得金属颗粒能够高度分散在其表面或者孔结构内。相对于炭黑，ＣＮＴ??具有更高的催化活性和稳定性。不过，碳纳米管的商业化应用也存在一些的问题，首??先是成本问题，ＣＮＴ与炭黑相比其成本较高。与ＣＮＴ相比，石墨烯（或还原氧化石??墨烯，ＲＧＯ）不仅具有相似的稳定物理性质，而且具有更大的表面积（理论值２６３０ｍ２??ｇ４），石墨烯作为载体也许会有比ＣＮＴ更好的效果。??
?北京化工大学硕士学位论文???武?ｌｉ?Ａｌｌｏｙ?？Ｐｔ?〇Ｆｒ??難??ｒＧＯ?Ｐｔ－Ｐｒ／ｒＣＯ??图３＿１?—步法制备石墨烯负载Ｐｔ－Ｐｒ二元合金示意图??Ｆｉｇ．?３－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｏｎｅ－ｐｏｔ?ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ?Ｐｔ－Ｐｒ?ｂｉｎａｒｙ?ａｌｌｏｙ??具体实验步骤包括：称取５０ｍｇ石墨婦于烧杯中，同时量取５０ｍＬ乙二醇于同一??烧杯，超声１０分钟至石墨烯均匀分散在乙二醇中。此时加入０．０１Ｍ的Ｈ２ＰｔＣｌ６溶液，??０．１Ｍ的Ｐｒ（Ｎ０３）３溶液于烧杯中，保证总的金属负载量为４０％。接下来，用ＮａＯＨ溶??液调节体系的ｐＨ值，使体系达到预定ｐＨ值。将溶液搅拌均匀后超声１小时至悬浊??液完全均匀。接着，将悬浊液转移至圆底烧瓶中，１３０°Ｃ油浴搅拌加热３小时。加热完??成后，将反应物进行抽滤，洗涤和干燥，最终得到黑色粉末样品。加热反应过程中，??在１３０°Ｃ下，根据溶液的ｐＨ值，乙二醇被氧化成乙醇酸或乙醇酸根阴离子作为稳定??剂，随着ｐＨ增加，乙醇酸阴离子的稳定性降低，直到还原能力丧失，同时，不同浓??度的醇酸根对于合金颗粒的大小也会有影响，因此，催化剂纳米颗粒的还原制备很大??程度上取决于溶液的ｐＨ值。所以，我们需要探索体系的最佳ｐＨ值。??蟾＿＿??■■??图３－２不同ｐＨ值下制备的Ｐｔ－Ｐｒ／Ｃ二元合金的ＴＥＭ图。??Ｆｉｇ．?３－２?ＴＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｐｔ－Ｐｒ／Ｃ?ｂｉｎａｒｙ?ａｌｌｏｙ?ｐｒｅｐａｒｅｄ?ａｔ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｐＨ?ｖａｌｕｅ．??为保证单一变量，固定Ｐｔ原
本文编号：3322307
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１酸性溶液中ＯＲＲ过程示意图??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＯＲＲ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｉｎ?ａｃｉｄ?ｓｏｌｕｔｉｏｎ??
。１、表面积，有利于催化剂粒子在其上负载得更多；２）、合适的孔隙率，促进气流；３）、??高电导率；４）、工作条件下的高稳定性。目前应用最广泛的碳材料催化剂载体是炭黑，??它具有良好的导电性和大的比表面积，但是炭黑载体与金属颗粒的结合力不甚强，并??且在燃料电池运行阶段容易遭受腐蚀，使得金属颗粒更容易脱落。碳纳米管（ＣＮＴ）??具有很多优点，是可以代替炭黑的载体之一。ＣＮＴ具有高导电性，高比表面积，拥有??许多中孔结构，使得金属颗粒能够高度分散在其表面或者孔结构内。相对于炭黑，ＣＮＴ??具有更高的催化活性和稳定性。不过，碳纳米管的商业化应用也存在一些的问题，首??先是成本问题，ＣＮＴ与炭黑相比其成本较高。与ＣＮＴ相比，石墨烯（或还原氧化石??墨烯，ＲＧＯ）不仅具有相似的稳定物理性质，而且具有更大的表面积（理论值２６３０ｍ２??ｇ４），石墨烯作为载体也许会有比ＣＮＴ更好的效果。??
?北京化工大学硕士学位论文???武?ｌｉ?Ａｌｌｏｙ?？Ｐｔ?〇Ｆｒ??難??ｒＧＯ?Ｐｔ－Ｐｒ／ｒＣＯ??图３＿１?—步法制备石墨烯负载Ｐｔ－Ｐｒ二元合金示意图??Ｆｉｇ．?３－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｏｎｅ－ｐｏｔ?ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ?Ｐｔ－Ｐｒ?ｂｉｎａｒｙ?ａｌｌｏｙ??具体实验步骤包括：称取５０ｍｇ石墨婦于烧杯中，同时量取５０ｍＬ乙二醇于同一??烧杯，超声１０分钟至石墨烯均匀分散在乙二醇中。此时加入０．０１Ｍ的Ｈ２ＰｔＣｌ６溶液，??０．１Ｍ的Ｐｒ（Ｎ０３）３溶液于烧杯中，保证总的金属负载量为４０％。接下来，用ＮａＯＨ溶??液调节体系的ｐＨ值，使体系达到预定ｐＨ值。将溶液搅拌均匀后超声１小时至悬浊??液完全均匀。接着，将悬浊液转移至圆底烧瓶中，１３０°Ｃ油浴搅拌加热３小时。加热完??成后，将反应物进行抽滤，洗涤和干燥，最终得到黑色粉末样品。加热反应过程中，??在１３０°Ｃ下，根据溶液的ｐＨ值，乙二醇被氧化成乙醇酸或乙醇酸根阴离子作为稳定??剂，随着ｐＨ增加，乙醇酸阴离子的稳定性降低，直到还原能力丧失，同时，不同浓??度的醇酸根对于合金颗粒的大小也会有影响，因此，催化剂纳米颗粒的还原制备很大??程度上取决于溶液的ｐＨ值。所以，我们需要探索体系的最佳ｐＨ值。??蟾＿＿??■■??图３－２不同ｐＨ值下制备的Ｐｔ－Ｐｒ／Ｃ二元合金的ＴＥＭ图。??Ｆｉｇ．?３－２?ＴＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?Ｐｔ－Ｐｒ／Ｃ?ｂｉｎａｒｙ?ａｌｌｏｙ?ｐｒｅｐａｒｅｄ?ａｔ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｐＨ?ｖａｌｕｅ．??为保证单一变量，固定Ｐｔ原
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