應用于電解水和氧還原反應催化劑的設計與合成.pdf

1、隨著對環(huán)境意識的增強和對有限資源認識的加深，為了減少對石油化工能源等不可再生資源的依賴，尋求并開發(fā)清潔、廉價、便捷、有效的能源供給方式已經(jīng)成為能源產(chǎn)業(yè)首當其沖的任務。近年來，針對各種低污染電池技術(shù)的研發(fā)方興未艾，尤其值得關(guān)注的是可再生的燃料電池、可充電重復利用的金屬-空氣電池、電解水等新能源技術(shù)。這些新能源技術(shù)都是以電化學催化過程為基礎，而電催化過程需要催化劑來降低反應過程的能耗。
　　目前，電極催化劑多以貴重的鉑、銥和釕等金屬，

2、但是這些貴金屬在全球儲量有限，且價格相對昂貴，在很大程度上限制了新能源技術(shù)的發(fā)展。在這種情況下，設計新型高效催化劑迫在眉睫，新一代的催化劑既要降低鉑金屬材料的用量，又需要提高其對電化學的催化活性，尤其是單位質(zhì)量活性，并應具有較好的耐久性。因此，制備高效合金催化劑和新型非貴金屬催化劑（如鈣鈦礦）成為了人們研究的熱點，故本文的主要工作旨在合成具有高電導率和活性位點豐富的鈣鈦礦型氧化物和Pt-Cu合金納米催化劑，并研究它們在電催化上應用。本文

3、總共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下:
　　第一章，我們首先簡要介紹了電化學催化的背景;然后總結(jié)了電化學催化中電解水產(chǎn)氫氣、產(chǎn)氧氣和氧還原三個反應的基本機理，以及如何評價電化學催化劑的性能;最后，綜述近些年來電化學催化方向取得的重要進展，主要介紹通過調(diào)控貴金屬納米催化劑的形貌、尺寸以及組成，改善催化劑的電化學性能，并探討了鈣鈦礦以及類鈣鈦礦催化劑對電化學催化的影響。
　　第二章，我們介紹了具有五重對稱性的多級分支準十二面體Pt-

4、Cu納米合金的合成方法，并發(fā)現(xiàn)了KI的用量以及Pt和Cu前驅(qū)物的配料比是能成功合成此材料的關(guān)鍵所在。多級分支準十二面體Pt-Cu納米合金表現(xiàn)出很高的電催化HER性能，優(yōu)于商用的Pt/C催化劑。孿晶缺陷以及多級框架結(jié)構(gòu)是提高材料催化性能的根本原因。
　　第三章，我們通過液相超聲剝離的方法合成具有氧缺陷修飾的WO3，發(fā)現(xiàn)其氧缺陷的存在造成了W的價態(tài)從6+下降到5+，而且鎢原子的配位數(shù)也明顯下降。通過電化學測試發(fā)現(xiàn)具有氧缺陷修飾的WO3

5、的性能優(yōu)于WO3 bulk且接近于商用Pt/C催化劑，這很可能是因為氧缺陷調(diào)控了鎢原子的電子結(jié)構(gòu)，造成氫吸附自由能接近于零，所以催化活性獲得提高。
　　第四章，我們通過溶膠-凝膠法合成了帶有氧缺陷的雙鈣鈦礦氧化物和其對應的單鈣鈦礦氧化物，我們發(fā)現(xiàn)雙鈣鈦礦氧化物的具有雙功能的催化特性:電解水產(chǎn)氧氣和電催化氧氣還原。雙鈣鈦礦氧化物改善了單鈣鈦礦氧化物的單一催化性能，而且在穩(wěn)定性上有很大的提高。這歸結(jié)于雙鈣鈦礦具有較高的導電性和穩(wěn)定的結(jié)