铂单原子层修饰型低温燃料电池阴极氧还原催化剂的制备与性能研究

摘要

由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有在低温运行(＜100℃)、比能量与比功率高、启动/关闭迅速、零排放、体积小等方面的诸多优点，适合应用于移动设备、电动汽车以及分散式发电站等领域，目前受到的关注与研究最为集中。但阴极氧还原动力学反应很慢，因而开发高活性、长寿命、低铂载量的阴极电催化剂是低温质子交换膜燃料电池实现大规模商业化的关键。本论文主要通过不同方法制备表面具有铂单原子层结构型催化剂，并探究它们的形貌与性能，以及在电催化及燃料电池领域的应用。具体研究内容如下:
　　1)采用缺陷位点薄膜生长法，为在超薄钯纳米片外构建平滑的Pt表面提供了独特的合成方式，成功的构造了具有超薄核壳结构的Pd@Ptmonolayer纳米片材料。因为该催化剂具有～5纳米的厚度与扩展的Pt表面结构，Pd@Ptmonolayer纳米片材料在酸性电解质中对于氧还原反应有着较高的催化活性。与商用Pt/C催化剂相比，Pd@Ptmonolayer纳米片材料可以在0.9V（vs RHE）处实现Pt质量比活性为0.717 mA mgPt-1，有近乎7倍的催化性能增强。虽然Pd@Ptmonolayer纳米片材料表面仅有一个原子层的Pt覆盖，这个材料却显示出惊人的耐久性。经过5000循环扫描，仅有18 mV半波电位负移与3％的电话学表面积变化。通过本部分工作证明，缺陷位点薄膜生长法在制备高品质核壳纳米结构的超薄表面层方面具有极大的发展潜力。
　　2)采用欠电位沉积的方法，在纳米金属材料表面沉积单原子层或亚单原子层的Cu，之后利用原位置换的方法来沉积少量的贵金属，对于减少氧还原催化剂中铂的载量有着重要的意义。结合纳米多孔金表面暴露的高指数晶面以及Pt、Pd的高催化效能，我们利用欠电位沉积单原子层金属修饰的方法，成功制备了一系列具有Pt单层-Pd x层-纳米多孔金结构的催化剂。其中Pt单层-Pd单层-纳米多孔金新型催化剂展现出最优良的催化效率:半波电位提高33 mV，质量归一化效率达到1.22AmgPt-1，电化学表面积归一化效率达到0.79 mA cmPt-2。成功实现了美国能源部2017及2015相关技术指标的要求。

目录

声明

前言

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 燃料电池概述

1．2 质子交换膜燃料电池基本原理

1．3 电催化理论简介

1．4 PEMFC电催化剂

1．5 阴极氧还原电催化剂

1．6 本论文的研究目的和意义

参考文献

第二章 缺陷位点薄膜生长法制备超薄核壳Pd@Ptmonolayer纳米片及其氧还原性能

2．1 前言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 结论

参考文献

第三章 Pt单层-Pd单层-纳米多孔金薄膜型氧还原催化剂的制备与性质

3．1 前言

3．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 结论

参考文献

English Section

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录