高活性燃料電池催化劑的設(shè)計和制備.pdf

1、近年來，隨著化石能源危機(jī)及其所產(chǎn)生的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們對于能替代化石燃料的可再生能源的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。因為燃料電池的干凈清潔且能量轉(zhuǎn)換效率高的特點，這種新型能源轉(zhuǎn)化裝置得到了世界上科學(xué)家普遍的重視。然而，目前工藝下的商業(yè)催化劑的性能和成本卻遠(yuǎn)不能滿足燃料電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的要求。因此，開發(fā)具備高催化性能、高電化學(xué)穩(wěn)定性和價格低廉的新型燃料電池催化劑成為了推進(jìn)燃料電池未來發(fā)展和大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，而本文則對新型高性能燃料電池催化劑

2、進(jìn)行了設(shè)計和制備，并取得了優(yōu)異的成果。
　　一方面，在PEMFCs的陰極氧還原催化劑的設(shè)計和制備部分，本文首先通過一種基于表面活性劑的方法合成了一系列單分散的、球形的、以及成分和粒徑可控的PdxNiy納米顆粒。其具有富含Pd元素表層的Ni核Pd殼的偽核殼結(jié)構(gòu)以及高度統(tǒng)一的粒徑。接著通過結(jié)合了Cu的欠電位沉積（UPD）和Pt置換的方法，在所合成的PdxNiy納米顆粒上形成了單層Pt原子殼，從而制備出一種具備PdxNiy核和單層Pt原

3、子殼的新型核殼結(jié)構(gòu)燃料電池催化劑PdxNiy@Pt/C。
　　研究結(jié)果顯示，PdxNiy@Pt/C擁有超高的氧還原催化性能和優(yōu)異的電化學(xué)耐久性。通過對PdxNiy核的成分優(yōu)化，此種催化劑的比表面活性，Pt質(zhì)量比活性和貴金屬(Pd+Pt)質(zhì)量比活性最高分別為商業(yè)Pt/C的2.8，11.2和3.3倍。通過加速衰減實驗，催化劑在強(qiáng)酸性條件下分別經(jīng)過6000和12000圈的電勢循環(huán)過后，其電化學(xué)活性面積分別只下降了3%和9%，而其氧還原活

4、性即使在經(jīng)過12000次的循環(huán)過后也仍未下降。
　　另一方面，在直接甲酸燃料電池的陽極催化劑的設(shè)計和制備部分。本文通過一種結(jié)合了CO輔助合成Pt3Ni納米立方顆粒和欠電位沉積單層Cu原子殼再置換為Pd的方法，成功制備出了具有單層Pd原子殼和Pt3Ni納米立方顆粒核結(jié)構(gòu)的新型催化劑Pt3Ni@Pd/C。ICP、XRD和TEM等表征手段被用于研究此種Pt3Ni納米立方顆粒，結(jié)果顯示大多數(shù)Pt3Ni納米立方顆粒的表面都由{100}族的晶

5、面所組成。并且在這些{100}族的晶面上，單層Pd原子殼通過電沉積的外延生長，也獲得了{(lán)100}族的晶面。Pt3Ni@Pd/C催化甲酸氧化的活性與商業(yè)Pd/C和原Pt3Ni/C進(jìn)行了比較。研究結(jié)果顯示，由于Pt3Ni@Pd/C的單層Pd原子殼的結(jié)構(gòu)和所暴露出的Pd{100}族的晶面，Pt3Ni@Pd/C表現(xiàn)出了優(yōu)異的甲酸氧化性能。與原Pt3Ni/C相比較，Pt3Ni@Pd/C的貴金屬質(zhì)量比活性提高到了7.5倍。此外，與商業(yè)Pd/C相比，