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《华南理工大学》 2019年
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铂基金属纳米材料可控合成及其电催化氧化甲酸及乙醇性能研究

邹家穗  
【摘要】:直接甲酸/乙醇燃料电池,因其能量密度高、穿梭率小、毒性低、燃料存储方便及电池结构简单、低温运行等显著优点,近年来一直倍受关注。然而,燃料电池的大规模商业化应用严重受限于贵金属催化剂高昂的价格。通过引入一种或多种其它过渡金属,可控合成合金、核壳结构等纳米材料,不仅可以显著提高金属催化活性,而且还能降低贵金属用量,进而减少燃料电池催化剂成本。然而,合金催化剂表面金属易溶出,核-壳纳米界面结构对催化剂性能影响尚不明确及抗中毒能力差等问题,限制了金属催化剂性能的进一步提升。本论文将通过乙醇还原法在碳纳米管上原位制备出钌(Ru)纳米粒子,通过在Ru核表面可控生长出Pt壳层(Ru@Pt)及AuPt合金壳层(Ru@AuPt),从而构建出具有Ru核和Pt及AuPt合金壳层的核壳结构,并利用X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱仪(XPS)等方法表征纳米催化剂的组成、原子结构及电子状态,研究Ru-Pt界面结构及核壳结构、AuPt合金壳层对电催化氧化甲酸(FAOR)和乙醇反应(EOR)活性的影响,主要内容如下:(1)在Ru@Pt体系中,Ru核金属原子排布有序度对Ru-Pt界面结构及表面Pt壳层原子排布结构及电子结构带来显著影响,进而调控其电催化特性。首先在碳纳米管上可控制备了具有相同粒径的晶相及非晶相Ru纳米粒子,进一步在Ru纳米粒子表面生长具有不同厚度的Pt原子层,分别制备出具有晶相及非晶相Ru核的Ru@Pt核壳纳米结构,分别标记为Ru@Pt_x和Ru(n)@Pt_x,x表示壳层Pt与Ru的元素比。XRD、XPS、高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和CO脱附伏安法对钌(Ru)-铂(Pt)核-壳纳米颗粒表征发现,Ru@Pt_x有明确的Ru-Pt两相界面,Pt原子在晶相Ru核表面有序生长。由于Ru与Pt晶格不匹配,在Pt壳层引起晶格压缩。相反,由于非晶相Ru核诱导Ru-Pt两相界面处形成PtRu合金,Pt壳层后续在PtRu合金界面上生长,Pt壳层的压缩应力得到较快释放。因此,对于具有相同Pt壳层厚度的Ru@Pt纳米粒子,晶相Ru核产生的压缩应力远大于非晶相Ru核,并随着Pt原子层数的增加而逐渐减弱。在电催化氧化甲酸和乙醇测试中,Ru@Pt_x和Ru(n)@Pt_x材料催化活性随Pt层厚度均呈现出火山形变化,但是晶相Ru核对应的Pt层催化活性及稳定性均显著优于非晶相Ru核表面的Pt层。这种现象归因于Ru核在Pt层晶格引起的压缩应力降低了金属表面d带中心,减弱了对CO等能够毒化催化剂的中间产物的吸附,进而抑制Pt催化剂表面毒化。由于晶相Ru核引起的应力变化比非晶相Ru核更明显,因此,其对Pt壳层催化活性的提高也优于非晶相Ru核。在这系列催化剂中,Ru@Pt_(0.75)表现出最佳催化活性,CO和活性中间体在其表面的吸附达到最佳平衡,其电催化氧化甲酸和乙醇的面积比活性是Pt/C的25和6.5倍,是Ru(n)@Pt_(0.75)的3.4和1.8倍。(2)通过在Pt壳层中引入Au元素,制备出Ru@AuPt核壳结构纳米粒子,进一步提高Pt催化活性。研究发现,在保持AuPt合金壳层厚度不变的情况下,随着Au/Pt(x)元素比增加,催化剂表面Pt组分逐渐减少,由于电子效应,催化剂d带中心逐渐上移,接近费米能级;在保持Au/Pt=1:1的情况下,随着AuPt合金壳层厚度(n)减少,表面压缩应力增大。由于催化剂表面的集团效应(ensemble effect)、电子效应(electronic effect)及应力效应(strain effect)协同作用的结果,Ru@(Au_5Pt_5)_n的直接甲酸氧化催化活性显著优于Ru(n)@Pt_(1.0)和Pt_5Au_5合金颗粒,并且能有效地抑制CO_(ads)生成。在这一系列催化剂中,Ru@(Au_5Pt_5)纳米材料有最佳的甲酸直接氧化活性,其面积比活性为4.14mA?cm~(–2)及质量比活性为1.2 A?mg~(–1),分别是商业Pt/C催化活性的52倍和17倍,是Ru(n)@Pt_(1.0)催化活性的5.8倍和3.5倍,Pt_5Au_5合金催化活性的6.2倍及5.2倍。在碱性条件下,Ru@(Au_5Pt_5)_n系列纳米催化剂依旧表现出良好的抗中毒能力。在该系列催化剂中,Ru@(Au_5Pt_5)_(0.5)表现最佳,其质量比活性及面积比活性分别是Pt/C的12倍和28倍,Ru(n)@Pt_(1.0)的4.0倍及5.1倍,Pt_5Au_5合金的4.3倍及3.9倍。此外,Ru@AuPt中Au组分对催化稳定性及结构稳定性有显著增益。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM911.4;O643.36

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