一锅湿化学法可控合成铂银纳米复合材料及其电催化性能研究

摘要

近年来，燃料电池由于具有高的能量密度、高的能量转换效率和低的污染排放等优势，引起了许多研究者的关注。目前，贵金属铂(Pt)是燃料电池中最成熟有效的催化剂，且Pt基双金属催化剂比单金属Pt表现出更加优越的电催化性能。金属银(Ag)具有较强的导电性、抗毒性和稳定性，以及优良的电子传递能力。因此，为提高Pt基催化剂的催化性和降低催化剂中Pt的使用量与利用率，本论文在可控合成PtAg双金属纳米复合材料以及电催化性能研究方面做出了一些新的探索。
　　本论文发展优化了一些新的材料生长调控剂和稳定剂（L-羟基脯氨酸、二羟丙茶碱、1，4-双（吡啶）亚丁基二溴化盐），采用一锅湿化学共还原法，合成出三种形貌的PtAg纳米复合材料，表征了它们的形貌特征和结构组成，并详细探究了三种材料的生长机制。此外，通过一系列电化学测试技术对材料的电催化性能和稳定性进行了探究。结果表明所得PtAg纳米复合材料比商业Pt/C、Pt黑和单金属Pt催化剂具有更好的催化活性和稳定性。具体内容如下:
　　(1)多枝状铂银合金纳米晶的合成及其对氧还原反应和乙二醇氧化反应的电催化性能研究
　　以L-羟基脯氨酸作为形貌导向剂和稳定剂，无需任何模板和晶种，采用简单可控的湿化学连续共还原法制备多枝状的双金属PtAg纳米晶（PtAg NCs）。在碱性介质中，该材料与Pt黑催化剂相比对乙二醇氧化反应和氧还原反应均表现出较好的催化活性，较强的稳定性以及较好的CO耐受性。该双金属纳米催化剂的可控制备方法简单且易于操作，也可用于探索燃料电池中其它双金属纳米材料的可控合成。
　　(2)实心核@多孔壳结构铂银纳米晶的合成及其对析氢反应和丙三醇氧化反应的电催化性能研究
　　通过一锅连续共还原湿化学法，以二羟丙茶碱作为稳定剂和形貌导向剂，无需模板、晶种、表面活性剂和聚合物，制备了实心核多孔壳的PtAg NCs，并通过一系列技术对产品进行表征。该材料与PVC和Pt黑相比，对丙三醇氧化反应有较好的电催化活性，面积活性和质量活性分别是3.23mA cm-2和1303mAmg-1Pt。同时，该材料在0.5M H2SO4溶液中的析氢反应的塔菲尔斜率是40mVdec-1。这些结果表明所制备的PtAg NCs在燃料电池领域中有较好的应用前景。
　　(3)还原石墨烯负载的多孔PtAg合金纳米花复合材料的合成及其对析氢反应和氧还原反应的电催化性能研究
　　利用1，4-双（吡啶）亚丁基二溴化盐作为导向剂和稳定剂，通过一锅连续共还原法制备并表征了还原氧化石墨烯(rGO)负载多孔PtAg合金纳米花复合材料（PtAg NFs/rGO）。与商业的Pt/C(0.96V)和自制的rGO负载的Pt纳米颗粒(PtNPs/rGO，0.97V)相比，在0.1M KOH溶液中，该纳米复合材料对氧还原反应具有更正的起峰电位(1.03V)。同时，该材料在析氢反应中也表现出更好的催化性能，在0.5M H2SO4溶液中，与Pt NPs/rGO(-42mV，36mV dec-1)相比，PtAg NFs/rGO有着更正的起峰电位（-26mV）和更小的塔菲尔斜率(31mV dec-1)。这主要归因于PtAg NFs特殊的多孔结构，Pt和Ag之间的协同效应以及引入rGO作为支撑材料。

目录

摘要

第一章绪论

1．1．1直接醇类燃料电池

1．1．2氧气的催化还原及催化剂

1．1．3氢气燃料电池

1．2 Pt基纳米催化剂

1．2．1核壳纳米结构催化剂

1．2．2非均相异质结构纳米催化剂

1．2．3 Pt基合金纳米结构催化剂

1．2．4 PtAg纳米催化剂

1．2．5集合效应、电子效应和几何效应

1．3 Pt基纳米材料的合成方法

1．3．1模板法

1．3．2化学还原法

1．3．3电化学置换法

1．3．4晶种生长法

1．4本文的研究目的及研究内容

第二章多枝状PtAg合金纳米复合材料的合成及其电催化性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1化学试剂

2．2．2 PtAg NCs的合成

2．2．3物理表征

2．2．4电化学测试

2．3结果与讨论

2．3．1 PtAg NCs的表征

2．3．2 PtAg NCs的形成机制

2．3．3 PtAg NCs的电化学性能

2．4本章小结

第三章实心核多孔壳PtAg纳米晶的合成及其电催化性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1化学试剂

3．2．2 PtAg NCs的合成

3．2．3物理表征

3．2．4电化学测试

3．3结果与讨论

3．3．1 PtAg NCs的表征

3．3．2 PtAg NCs的形成机制

3．3．3 PtAg NCs的电化学性能

3．4本章小结

第四章由石墨烯负载的多孔PtAg合金纳米花复合材料的合成及其电催化性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1化学试剂

4．2．4电化学测试

4．3结果与讨论

4．3．1 PtAg NFs/rGO的表征

4．3．2 PtAg NFs/rGO的形成机制

4．3．3 PtAg NFs/rGO的电化学性能

4．4本章小结

第五章结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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