Pd--Cu双金属纳米催化剂的控制合成及其对甲酸的电催化氧化性能研究

摘要

燃料电池为我们提供了一种清洁的能源转化方式。燃料电池高效率，无污染，因此是一种理想的能量转换方式。其中甲酸燃料电池与氢气燃料电池和甲醇燃料电池相比由于具有很多优势，在近年来受到广泛的研究。甲酸燃料电池中的甲酸氧化反应的惰性是抑制其性能的主要因素之一。在燃料电池中，主流的催化剂材料多为贵金属Pt或Pd等，成本较高，这就限制了它的发展。从降低甲酸电氧化催化剂的成本的目标出发，本文使用了一种有机液相还原的方法合成了几种用于甲酸燃料电池中阳极甲酸电氧化反应的PdCu双金属催化剂。通过X射线衍射(XRD)，透射电镜(TEM)，高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)，高倍电镜(HRTEM)，电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)、电化学循环伏安扫描(CV)，电化学计时电流测试(CA)等对催化剂的形貌、结构、物相、组成及电化学性能进行了表征和评价。 (1)纳米颗粒的结构、形貌、维度、尺寸的控制对其性能有直接的影响。本文通过控制加入反应体系的表面作用物质（三苯基膦）的量，分别合成了单分散的PdCu纳米立方体，单分散的PdCu纳米球体和近单分散的PdCu纳米类球体。透射电镜下可以看到，PdCu纳米立方体为边长为10nm左右的规则立方体，PdCu纳米球体为粒径为8nm左右的纳米球体。而PdCu类球体形状不太均一，大致为球形，粒径在20nm左右。XRD数据显示，在PdCu纳米立方体中，一部分铜是以氧化亚铜的形式存在的，而在PdCu纳米球体中氧化亚铜的量相对变少，而在PdCu类球体中，几乎不存氧化亚铜，只是PdCu合金。三苯基膦对颗粒表面的吸附作用是控制颗粒形貌的主要因素。 (2)采用了一种操作步骤非常简单的方法，在有机液相中制备了一系列不同PdCu组成比例的PdxCuy合金，碳负载后得到了PdxCuy/C催化剂。透射电镜(TEM)显示PdCu合金纳米颗粒为8nm左右的球形颗粒。XRD数据确认了所制备材料为fcc结构的PdCu合金。电化学测试表明，合成的催化剂中Pd2Cu8/C催化剂的由于Cu的协同作用使得单位质量Pd的电化学活性优于Pd/C催化剂。 (3)采用液相还原的方法在有机液相中分两步制备了Cu@Pd核壳型纳米线，碳负载后得到Cu@Pd/C催化剂。详细表征结果（TEM，HRTEM，HAADF-STEM，XRD等）显示Cu@Pd纳米线具有Cu核和Pd壳的核壳型结构，和较大的表面积。电化学测试表明，合成的Cu@Pd/C催化剂对甲酸氧化具有较高的比质量活性大约为商业化Pd/C催化剂的4倍，而且具有较好的稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 金属纳米材料与燃料电池概述

1．2 金属纳米材料的可控制备

1．3 燃料电池的工作原理

1．4 燃料电池催化剂

1．4．1 燃料电池催化剂的研究状况

1．4．2 燃料电池催化剂的制备方法

1．5 直接甲酸燃料电池及其催化剂

1．6 选题意义及研究内容

第二章 实验手段

2．1 试剂及仪器

2．2 催化剂的制备

2．3 分析表征方法

2．4 催化剂的性能评价

2．4．1 工作电极的制备

2．4．2 电化学循环伏安测试

第三章 PdCu纳米颗粒的形貌可控制备

3．1 引言

3．2 PdCu纳米立方体和PdCu纳米球体的制备与表征

3．2．1 药品和仪器

3．2．2 PdCu纳米立方体的制备

3．2．3 PdCu纳米球体的制备

3．2．4 PdCu纳米立方体和PdCu纳米球体的表征

3．3 结果与讨论

3．4 小结

第四章 有机液相还原合成PdCu合金催化剂及其表征

4．1 引言

4．2 催化剂的制备和表征

4．2．1 药品和仪器

4．2．2 催化剂的制备

4．2．3 催化剂的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 形貌与结构研究

4．3．2 电化学性能研究

4．4 小结

第五章 Cu@Pd钯包铜型纳米线的制备及表征

5．1 引言

5．2 Cu@Pd催化剂的制备和表征

5．2．1 药品和仪器

5．2．2 Cu@Pd催化剂的制备

5．2．3 Cu@Pd催化剂的表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 形貌与结构研究

5．3．2 电化学性能研究

5．4 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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