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PtNi纳米催化剂的微结构调控与双功能性应用
赵凯1
作者信息
摘要
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种能够缓解能源短缺以及环境污染的能源转换设备，可以将化学能有效地转换为电能。除了拥有众多诸如对环境友好污染小，性能稳定寿命长，化学能转换为电能的能量转化效率高，能在室温下快速启动的优势以外，PEMFC的发展仍面临需要进一步提高电催化剂效率的技术挑战。虽然Pt基催化剂是目前最常用也是效率最高的电催化剂，但贵金属Pt储量有限、价格昂贵等问题制约其广泛应用。因此可以通过对Pt基纳米催化剂进行优化设计来缓解上述问题。本论文基于“组分调控策略”和“形貌控制策略”设计合成了具有双功能的PtNi纳米电催化剂，并对其电催化性能即催化氧还原反应(ORR)性能和催化甲醇氧化反应(MOR)性能进行了研究。具体研究内容如下所述: (1)采用简便的一步溶剂热法，通过调控前驱体Pt和Ni的用量、反应温度、反应时间等，合成了PtNi多枝纳米结构(PtNiMBNs):具有可提供更多活性位点的独特多枝状结构以及富Pt表面，有助于催化性能的提高。在酸性环境中对催化剂进行性能测试，多枝结构可以同时催化阴极ORR和阳极MOR，具有优异的双功能电催化性能。测试结果表明，其催化ORR时的半波电位为0.966V，远高于商业Pt/C(0.931V)，而且8000次循环后仅下降14mV。对于MOR，PtNiMBNs的比活性(SA)为18.1Am-2Pt，是商业Pt/C(7.8Am-2Pt)的2.3倍。通过CO溶出实验模拟外界充满CO的情况，验证了样品优异的抗中毒能力，进一步证实了其优异的催化活性和稳定性。PtNiMBNs的显著双功能性归因于独特的多枝纳米结构所提供的高电化学表面积、丰富的原子台阶以及富Pt表面。 (2)设计合成了PtNi多面体纳米链结构(PtNiPNCs):具有丰富(111)面的有序PtNi多面体纳米链由多面体颗粒和纳米棒自组装而成，丰富的原子台阶提供了大量活性位点，利于电荷的快速转移。纳米多面体是PtNiPNCs的组成部分之一，平均尺寸约为6nm，主干部分纳米线的直径仅为2nm。而且在长时间苛刻的稳定性测试中保持了非常高的ORR和MOR催化活性。与商业Pt/C相比，PtNiPNCs催化ORR的质量活性(MA)是其3.34倍，SA是其3.79倍。经过10000次循环后，半波电位仅发生17mV的偏移，稳定性远优于商业Pt/C(55mV)。同时，MoR催化活性也显著优于商业Pt/C，MA和SA分别为商业Pt/C的7.23和6.55倍。这一策略可能为催化剂的制备提供一种理想方法，以平衡催化活性和催化稳定性之间的矛盾。
关键词
直接甲醇燃料电池/双功能电催化剂/PtNi多枝纳米结构/PtNi多面体纳米链/氧还原反应/甲醇氧化反应引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
凝聚态物理导师
郭海中；夏田雨学位年度
2022学位授予单位
郑州大学语种
中文中图分类号
TM