论文部分内容阅读
为了缓解化石燃料的过度消耗所造成的环境恶化与能源危机问题，现代工业对新一代可再生能源的供应有着迫切的需求。在这方面，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFCs)凭借其高效、零碳排放的特点，被认为是下一代能源技术革命中最有前途的能量转换系统之一。然而，由于缺乏有效、耐用的电催化剂，PEMFCs技术的进步仍然受到其阴极氧还原反应(ORR)缓慢动力学这一关键因素的严重阻碍。在众多可行的催化剂中，铂(Pt)基催化剂一直被认为是最有前景的ORR电催化剂，但由于Pt的稀缺性、价格昂贵、耐久性差等缺点，进一步限制了其应用。因此，开发能够充分提高Pt的利用率、催化活性以及长期耐久性的Pt基ORR催化剂对于PEMFCs的商业可行性至关重要。本课题以提高Pt金属的催化性能和利用率为目标，围绕新型、高效的Pt基复合催化剂的设计合成开展工作。一方面，从Pt催化剂载体的合理选择和可控制备入手，通过精确调控催化剂载体材料的形貌以及与Pt之间的接触面，并将实验研究和理论计算相结合，较为深入地阐述了Pt/载体复合催化剂中特定晶面耦合异质结构对ORR性能的促进作用。另一方面，通过形貌优化和表面控制的手段合成了具有海胆刺球豆荚状核-壳型的NiCo2@Pt/C复合催化剂，由于活性材料被多孔碳膜包覆，展现出良好的分散性，有效避免了催化过程中活性颗粒迁移和团聚的发生。因此，所制备的NiCo2@Pt/C催化剂的催化活性和稳定性都得到了显著的提升。具体的研究内容如下：
1）首先，通过简单的一步水热法合成了Sc-LiTiO2纳米八面体。通过扫描电子显微镜和高倍透射电子显微镜显示，所合成的Sc-LiTiO2具有规则的八面体结构和光滑的表面，以及良好的单晶性质，并且主要暴露{111}晶面。随后，用湿化学还原法将Pt纳米颗粒沉积在Sc-LiTiO2表面。最后，对所制备的Pt NPs/Sc-LiTiO2复合材料进行低温退火处理。结果表明，Pt{111}晶面与高度晶格匹配的Sc-LiTiO2{111}晶面实现了原子级接触，形成特定的晶面耦合异质结构，导致Sc-LiTiO2和Pt之间的强协同效应，以及Pt在Sc-LiTiO2表面的外延生长和良好的暴露面。这些关键特征使得Pt NPs/Sc-LiTiO2催化剂的质量活性和比活性分别比商业Pt/C高出8.0和7.1倍。同时，它可经历20000次扫描循环，活性衰减可忽略，形貌和成分也无明显变化，具有优异的ORR耐久性。因此，这项工作很好地解决了Pt/载体复合催化剂常见的活性低、稳定性差的问题。
2）通过采用简单的湿化学法和两步退火法制备了一种海胆刺球豆荚状核-壳型的NiCo2@Pt/C复合催化剂，其中内部为NiCo2合金，外壳为Pt层，而NiCo2@Pt纳米粒子外部则由多孔碳膜包覆。这种独特的结构赋予了NiCo2@Pt/C催化剂许多优点，如多孔性、高导电性、丰富的活性位点和大的比表面积等。更重要的是，通过结合NiCo2核和Pt层之间的协同作用以及嵌入式结构的优势，NiCo2@Pt/C的ORR活性和耐久性远高于商业Pt/C。
1）首先，通过简单的一步水热法合成了Sc-LiTiO2纳米八面体。通过扫描电子显微镜和高倍透射电子显微镜显示，所合成的Sc-LiTiO2具有规则的八面体结构和光滑的表面，以及良好的单晶性质，并且主要暴露{111}晶面。随后，用湿化学还原法将Pt纳米颗粒沉积在Sc-LiTiO2表面。最后，对所制备的Pt NPs/Sc-LiTiO2复合材料进行低温退火处理。结果表明，Pt{111}晶面与高度晶格匹配的Sc-LiTiO2{111}晶面实现了原子级接触，形成特定的晶面耦合异质结构，导致Sc-LiTiO2和Pt之间的强协同效应，以及Pt在Sc-LiTiO2表面的外延生长和良好的暴露面。这些关键特征使得Pt NPs/Sc-LiTiO2催化剂的质量活性和比活性分别比商业Pt/C高出8.0和7.1倍。同时，它可经历20000次扫描循环，活性衰减可忽略，形貌和成分也无明显变化，具有优异的ORR耐久性。因此，这项工作很好地解决了Pt/载体复合催化剂常见的活性低、稳定性差的问题。
2）通过采用简单的湿化学法和两步退火法制备了一种海胆刺球豆荚状核-壳型的NiCo2@Pt/C复合催化剂，其中内部为NiCo2合金，外壳为Pt层，而NiCo2@Pt纳米粒子外部则由多孔碳膜包覆。这种独特的结构赋予了NiCo2@Pt/C催化剂许多优点，如多孔性、高导电性、丰富的活性位点和大的比表面积等。更重要的是，通过结合NiCo2核和Pt层之间的协同作用以及嵌入式结构的优势，NiCo2@Pt/C的ORR活性和耐久性远高于商业Pt/C。