【摘要】：質子交換膜燃料電池(PEMFC)可以在高功率密度和零排放的條件下有效地將化學能轉換為電能,被認為是替代現(xiàn)有非再生能源的重要技術之一。Pt基材料是PEMFC最常用的陰極和陽極催化劑。然而,Pt的高成本和低穩(wěn)定性限制了PEMFC的商業(yè)化應用。Pd是Pt同族的貴金屬,對PEMFC中的電催化反應也具有良好的催化性能,且其在地球中的儲量比Pt高。基于此,本論文從Pd基納米材料的形貌、結構和組成三個方面進行調控設計合成高性能、低成本和高穩(wěn)定性的PEMFC催化劑,并研究催化劑對于氧還原反應(ORR)和醇氧化反應的電催化性能。主要的研究內容和成果如下:1.一鍋法設計合成十面體Pd納米顆粒負載直徑約為3 nm的超小Pt納米點陣列,即Pd@PtNAs。以氯代十六烷基吡啶(CPC)和溴化鉀(KBr)為穩(wěn)定劑和晶面包覆劑,用L-抗壞血酸(AA)還原Na_2PdCl_4和H_2PtCl_6反應生成Pd@PtNAs。所合成的Pt納米點陣列結構顯著增加了催化劑的比表面積和活性,從而提高了Pt原子在電催化過程中的利用效率。通過調控不同的Pd和Pt的原子比例,制備了兩種組分的Pd@PtNAs(Pt含量為36.9 wt%和55.2 wt%的Pd@PtNAs),應用于ORR和甲醇氧化反應(MOR)。電催化結果顯示,Pt含量為36.9 wt%的Pd@PtNAs的活性較高,與市售的商業(yè)Pt/C催化劑相比,Pd@PtNAs對ORR和MOR的催化性能都有顯著的提升。該方法為設計合成表面具有納米點陣列的Pd@Pt核殼納米材料來提高催化劑的催化活性和穩(wěn)定性提供了新的思路。2.以一種簡單溫和的方法,合成了三維的PdSn合金納米鏈網(wǎng)(3D PdSn NCNs)。在室溫條件下,以檸檬酸鈉和KBr為穩(wěn)定劑和形貌調節(jié)劑,利用活潑的硼氫化鈉(NaBH_4)還原Na_2PdCl_4和SnCl_2而獲得3D PdSn NCNs。通過加入不同比例的金屬前驅體,合成了三種不同組分3D PdSn NCNs,分別是3D Pd_(75)Sn_(25)5 NCNs、3D Pd_(56)Sn_(44)4 NCNs和3D Pd_(28)Sn_(72)2 NCNs,電催化乙醇氧化反應(EOR)測試結果顯示,組分為3D Pd_(28)Sn_(72)2 NCNs的催化活性和穩(wěn)定性最高,3D Pd_(28)Sn_(72)2 NCNs對EOR的質量活性是商業(yè)Pd/C的4.53倍。該方法為合成性能優(yōu)異的Pd基合金催化劑提供了新的設計思路。3.將枝狀的PdCuCo合金晶體與非晶態(tài)Ni-B膜結合,形成具有高度分散的活性表面和“晶體-非晶”界面電子相互作用的復合材料,該復合材料與單純的PdCuCo合金相比,電催化活性有明顯的提高。通過簡單的化學還原法,在PdCuCo合金分散液中加入一定濃度梯度的NaBH_4和Ni(NO_3)_2溶液,合成了四種不同厚度的Ni-B膜的PdCuCo/Ni-B復合材料。對它們進行ORR和MOR測試,結果表明,包覆不同厚度的Ni-B膜的PdCuCo/Ni-B對電催化活性表現(xiàn)出類高斯的分布曲線,說明非晶與晶體之間的相互作用對電催化活性起到顯著的增強作用。這項研究可以為Pd基晶體與非晶結合形成復合材料的設計提供思路。
【圖文】：

2010）.燃料電池的基本結構主要由陽極、陰極、電解質和外部電路四部分組成，如圖1.1 所示。通常陰極為氧化劑電極，即氧電極；陽極為燃料電極，即氫電極。燃料電池陰極和陽極是催化轉換元件，其自身不包含催化活性物質，需要加入一定的催化劑來加速電極上的電催化反應。電解質介于陰極和陽極兩電極之間，電子通過外部電路傳輸形成回路而產(chǎn)生電流（劉潔等，2010）。在科學家們的努力研究和探索下，燃料電池獲得了快速的發(fā)展，已經(jīng)被應用于眾多領域，，如航空領域、潛艇領域、電動汽車、電站、便攜式電源及充電器等（侯

Fig. 1.2 Schematic of the internal structure and working principle of a single PEMFC (Litsterand McLean, 2004).單一的PEMFC的主要結構及工作原理示意圖如圖1.2所示 (Litster and McLean,2004)。質子交換膜燃料電池的核心部件是膜電極裝置 (MEA)，如圖 1.2A 中紅色框標記的部分，它夾在兩個流場板（合稱雙極板）之間。MEA 主要由質子交換膜(PEM)、催化劑層和氣體擴散層 (GDL) 組成。PEM 只允許質子通過，電子只能經(jīng)由外部電路傳輸形成回路而產(chǎn)生電流，從而將化學能轉化為電能；催化劑層為兩個半反應提供催化作用；氣體擴散層為燃料和氧化劑直接到達催化劑層提供快速通道，有效提高電池系統(tǒng)的工作效率 (Litster and McLean, 2004)。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O643.36;TM911.4

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5 張少鵬;司_炒

本文編號：2710680