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铂基异质结构纳米材料用作直接甲醇燃料电池电催化剂的研究
冯艳
学位类型博士
导师杨军
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业材料学
关键词异质结构 纳米材料 直接甲醇燃料电池 催化剂
摘要

直接甲醇燃料电池是直接使用甲醇为燃料的一种质子交换膜燃料电池。目前存在的最主要的问题: 燃料甲醇会透过质子膜从阳极扩散到阴极产生混合电位降低电池输出效率;质子膜的成本也远远高出了市场需求的标准;同时甲醇氧化的中间产物会吸附在催化剂的表面占据活性位点使催化剂很快失活。针对现有直接甲醇燃料电池中存在的问题,通过调控纳米材料的结构来制备选择性的催化剂。异质结构纳米材料由于集中了性能不同的组分并在纳米尺度上强相互耦合,因此不仅表现出单独组分的本征性能,还能表现许多优异的新特性。在深刻理解甲醇催化氧化和氧气催化还原机理的基础上,充分利用纳米材料中不同组分之间的晶格应变效应和电子耦合效应设计铂基异质结构纳米材料来调整催化性能,不仅使材料具有理想的催化活性,而且使材料对直接甲醇燃料电池中的甲醇氧化或氧气还原具有很好的选择性,同时,这些选择性的催化材料在直接甲醇燃料电池中可以降低甚至摆脱对质子交换膜的依赖。所取得的研究成果如下:1树枝状异质结构Au-Pt纳米材料的研究:制备得到多晶面的Au种子由于不同晶面的晶格缺陷和活性不同,使得Pt在不同晶面上生长速度有差异,最终形成了树枝状的Au-Pt纳米异质结构材料,由于Au与Pt之间的电子耦合和丰富边角特性,使得这种树枝状的Au-Pt纳米异质结构材料表现出了很好的甲醇氧化活性和稳定性。2多孔枝状一致结构纳米材料的研究:金属前躯体在油胺中被还原为金属纳米颗粒,颗粒的团聚与油胺的保护相互竞争形成了多孔枝状的纳米异质结构材料,这种简单的制备方法具有很好的普适性,可以用来制备单金属,双金属及多元金属的多孔枝状纳米异质结构材料。同时,对于它们的电化学性能进行了研究,与商业PtRu/C催化剂相比,PtRuOs/C表现出了更好的甲醇氧化活性。在高活性催化剂的基础上,我们进一步探究催化剂的选择性以进一步提高其在直接甲醇燃料电池中的应用。3直接甲醇燃料电池阳极选择性催化剂的研究:利用不同组分之间的电子耦合效应,设计并制备了异质结构的Au-Ag2S-Pt纳米材料,由于电子转移使得Pt表面的电子云密度增加,减弱了对甲醇氧化中间产物的吸附,从而提高了甲醇氧化活性,减弱了氧气还原活性。4直接甲醇燃料电池阴极选择性催化剂的研究:通过一种几何模型的构建,设计制备了摇铃型Pt-M的异质结构纳米材料,不连续的外壳层可以选择性的透过小分子而阻挡大分子,因此表现出很好的抗甲醇性能,对于直接甲醇燃料电池中的甲醇渗透问题从纳米材料的结构设计角度提出了一个很好的解决思路。5碳载Pt基催化剂的活化:基于前期高活性和高选择性催化剂的研究,我们进一步通过结合乙酸煮和电化学方法有效的去除颗粒表面活性剂,提高催化剂活性。在经过一定温度下乙酸处理以后,颗粒表面保护剂的端基基团被质子化,接着通过电化学高电位处理有效的去除了颗粒表面的保护剂,提高了催化剂的甲醇氧化活性和氧气还原活性。6选择性的催化剂用于构建直接甲醇燃料电池:构建去质子膜的模型对选择性催化剂的性能进一步评估。异质结构的Au-Ag2S-Pt纳米材料由于不同组分之间的电子耦合效应具有良好的抗CO中毒能力,作为阳极甲醇氧化选择性催化剂。基于几何模型的构建制备得到的摇铃型异质结构的Pt-M的纳米材料具有很好的抗甲醇性能,用于阴极氧气还原选择性催化剂。在这两种选择性催化剂的基础上构建了无质子膜的模型并对其性能进行了评估。7电子耦合效应对Pt基催化剂电催化性能的影响:进一步探究电子耦合效应对催化剂性能的影响机理。首先制备出尺寸形貌相近的核壳结构Ag-Pt,Au-Pt和空心Pt纳米材料,通过核与壳组分之间电负性差异调控Pt原子周围电子云密度。核壳结构Ag-Pt纳米材料由于电子由Ag转移到Pt表面使得其表面电子云密度增加,表现出优异的甲醇氧化活性,同时,由于电子由Pt转移到Au使得核壳结构的Au-Pt纳米材料表现出很好的氧化还原活性。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24314
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
冯艳. 铂基异质结构纳米材料用作直接甲醇燃料电池电催化剂的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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