特定形貌铂基纳米催化剂的可控合成及其电催化应用

摘要

燃料电池具有能源利用高效性和环境友好性的特点，近年来作为一种有望替代传统化石能源的新型能源装置而备受关注。其中质子交换膜燃料电池由于反应温度低、操作安全、能量转化效率高等诸多优点而被广泛研究。Pt基催化剂可同时催化燃料电池的阴极和阳极反应，因而在燃料电池体系中最受关注。但金属Pt价格昂贵且储量稀缺，因此在提高Pt基催化剂活性的同时提升贵金属的原子利用率并减少贵金属用量，是燃料电池催化剂设计改性过程中面临的重要难题。本论文对Pt基贵金属纳米材料催化剂设计改性进行了相关研究和探索。 核壳催化剂的构建是一种有效提升催化活性同时减少贵金属用量的设计思路。在此基础上，引入合金以及高活性晶面，可以进一步提升催化剂活性。本文通过简单的水热合成法，调控不同实验参数，合成得到具有不同壳层厚度以及凹陷程度的Pd@PtNi核壳催化剂。通过建立计算模型，定量计算原子在Pd内核上的沉积速度和扩散速度，拟合其与催化剂最终凹陷程度的关系，解释了催化剂凹陷结构形成过程。此外，DFT理论计算表明，Ni的引入可以有效降低OH的吸附强度，提升催化剂催化活性。 合成具有特定形貌的Pd@Pt核壳催化剂的传统方法是优先合成具有特定形貌的Pd作为内核，随后进行后续Pt壳层的生长。本文发现，调控特定实验条件，八面体Pd@Pt核壳催化剂的合成可以不依赖于特定形貌Pd作为种子进行。通过对不同实验变量的调控，详细地探究了反应中Pd内核的形貌转变过程，并对形貌转变机理进行了解释。在此基础上，以商品化的碳载钯催化剂作为种子，合成了以活性炭负载尺寸约为8 nm的八面体Pd@Pt核壳催化剂。这一方法使用商品化的碳载钯催化剂作为种子直接合成，不需要预合成具有特定形貌的Pd内核，因而大大简化了传统合成过程。

目录

声明

第1章 绪论

1.1燃料电池

1.2质子交换膜燃料电池

1.3铂基贵金属纳米材料在燃料电池体系中的应用

1.4纳米材料的发展

1.5文章选题意义和工作设想

第2章 实验方法

2.1实验试剂

2.2表征及测试手段

2.3电化学表征测试技术

第3章 具有凹陷结构的Pd@PtNi三元催化剂及其电催化应用

3.1引言

3.2具有凹陷结构的Pd@PtNi三元体系催化剂制备

3.3结果和讨论

3.4电催化甲酸氧化反应活性及稳定性表征结果

3.5本章小结

第4章 活性炭负载的八面体Pd@Pt核壳催化剂及其电催化应用

4.1引言

4.2催化剂制备

4.3实验结果与讨论

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢