纳米多孔材料的制备和电催化性能研究

发布时间：2020-04-14 12:27

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于其作为化石燃料的替代能源具有广泛的应用前景,特别是在汽车系统和便携式电子产品领域一直备受关注。但由于碳载体的腐蚀,Pt纳米颗粒与碳载体之间的脱粘以及Pt的溶解/聚集/奥斯特瓦尔德熟化,导致催化剂的质量活性和结构稳定性仍远远不能令人满意。尽管近年来致力于开发各种Pt基催化剂,但Pt的高成本仍然是妨碍其作为阴极电催化剂广泛应用的主要障碍。特别是,在直接甲醇燃料电池(DMFCs)中,渗透到阴极的甲醇也将在Pt基催化剂上被氧化,导致混合电势以及燃料电池的效率衰减。因此,寻找具有高催化活性和耐久性的催化剂是必须的。开发廉价、操作简单、可大量生产的催化剂成为一个焦点。本论文采用电弧熔炼、熔体快淬和去合金化相结合的方法制备纳米多孔PtxSi合金、高熵合金催化剂,并对其电催化性能进行了研究,具体如下:1、Si掺杂对纳米多孔Pt_3Si合金电催化性能的增强效应开发具有高活性和高稳定性的电催化剂是实现燃料电池商业化的核心问题。本文报道了一种具有纳米多孔结构的新型双金属Pt_3Si合金,该合金在甲醇和乙醇的电催化反应中,具有较低的起始电位和较高的电流密度,是理想的催化剂之一。而且该合金在氧还原反应中表现出较好的电催化性能。由于Si与纳米多孔结构产生的压缩应变,纳米多孔Pt_3Si(NP-Pt_3Si)合金具有较高的氧还原反应(ORR)性能,在0.9 V时,质量活性为0.44 A mg_(Pt)~(-1),达到了2017 DOE的目标。此外,NP-Pt_3Si具有较高的稳定性。由于Si在酸性电解质中的化学稳定性和纳米多孔结构的稳定性的影响。密度泛函理论计算表明,Pt_3Si合金的d带中心相对于纯Pt下移,削弱了与O*和HO*的结合,从而提高了催化剂的ORR活性。2、纳米多孔高熵合金的制备和电催化性能研究将多种不混溶金属元素可控地结合到一个纳米结构中,将带来不可估量的技术和科学潜力,但传统的自下而上的合成方法仍面临挑战。在此,我们合成了六元PtPdAuAgRuAl高熵合金。在电催化方面,Pt负载量相同的纳米多孔高熵合金Pt_4Pd_4Au_4Ag_3RuAl_3在碱性条件下的乙醇催化氧化的起峰电压相对于商业Pd/C向低电位移动了364 mV,表明该合金可以改善乙醇的催化氧化动力学。有趣的是,经过400圈,该合金活性几乎没有损失,说明NP-Pt_4Pd_4Au_4Ag_3RuAl_3在碱性条件下结构较稳定,是理想的乙醇燃料电池催化剂。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TQ426

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本文编号：2627295