本文關(guān)鍵詞：Pt-Cu合金納米催化劑物相與表面結(jié)構(gòu)的調(diào)控及電化學(xué)性能的研究

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【摘要】：燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、污染小、噪聲低及再啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔能源。質(zhì)子交換膜燃料電池的陽(yáng)極和陰極催化劑一般采用鉑(Pt)基催化劑,其中陰極氧還原反應(yīng)(ORR)的反應(yīng)速率相比于陽(yáng)極氫氧化(HOR)的反應(yīng)速率要慢得多,因此需要更多的貴金屬鉑(Pt)來(lái)促進(jìn)陰極反應(yīng)。但是Pt價(jià)格昂貴、資源稀缺,導(dǎo)致Pt基催化劑成本高,限制了燃料電池大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。為降低Pt的用量,人們主要通過(guò)Pt與一些3d過(guò)渡金屬(如：M=Fe、Co、Cu及Ni等)合金化制備Pt-M合金催化劑來(lái)降低成本,并通過(guò)調(diào)控Pt基合金納米粒子的尺寸、形貌和晶相結(jié)構(gòu)來(lái)提高催化劑的ORR活性和穩(wěn)定性。本論文將Pt/C粉末放入一定濃度的硝酸銅(Cu(NO3)2)溶液中超聲混合均勻,并控制Pt與Cu的摩爾比為3：1、1：1及1：3。然后將混合溶液冷凍干燥后置于N2氣和N2+H2混合氣體中快速加熱至800℃,分別保溫30min、60min和90min,再快速冷卻至室溫進(jìn)而制備得到Pt-Cu合金納米顆粒催化劑,以及利用電化學(xué)去合金方法調(diào)控Pt-Cu合金納米粒子的表面結(jié)構(gòu)。運(yùn)用TEM、HR-TEM、XRD及XPS等手段研究Pt-Cu納米粒子的尺寸、形貌、晶相結(jié)構(gòu),化學(xué)組成及價(jià)態(tài),并用電化學(xué)方法測(cè)試了Pt-Cu合金催化劑的催化性能。研究結(jié)果如下：(1)可利用不同氣氛的熱處理來(lái)調(diào)控Pt-Cu合金催化劑的晶相結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu),Pt與Cu在N2和N2+H2下形成的Pt-Cu合金納米粒子均勻分散在碳載體表面。在N2中合金納米粒子的平均顆粒尺寸比N2+H2中合金納米粒子的尺寸要大；不同摩爾比的Pt與Cu在N2和N2+H2條件下,形成的Pt-Cu合金納米粒子的相結(jié)構(gòu)明顯不同,特別是在N2下保溫60min形成了PtCu3有序固溶體,以及在N2+H2下Pt-Cu合金發(fā)生表面偏析現(xiàn)象；(2) Pt-Cu合金的晶相結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)對(duì)其電催化性能影響較大。其中在N2下,Pt與Cu摩爾比為1：3,保溫90min制備的PtCu3合金催化劑電催化性能最佳；在N2+H2下,Pt與Cu摩爾比為1：1,保溫90min制備的PtCu合金催化劑電催化性能最佳；(3)利用循環(huán)伏安法溶解掉Pt-Cu合金納米粒子表面的Cu原子后,可形成表面富Pt的核殼Pt-Cu納米粒子。其電催化性能在起始還原電位、半波電位及極限電流密度三個(gè)性能指標(biāo)上均有不同程度的提高,其中在N2下,Pt與Cu摩爾比為3：1,保溫60min制備的Pt3Cu合金催化劑半波電位最高,而在N2+H2條件下,Pt與Cu摩爾比為1：1,保溫30min制備的PtCu合金催化劑半波電位最高。
【關(guān)鍵詞】：Pt-Cu合金納米粒子 有序合金 表面偏析 電化學(xué)去合金 氧還原反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀與前景11-12
• 1.2 燃料電池的工作原理及其分類(lèi)12-15
• 1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池15-19
• 1.3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點(diǎn)15-16
• 1.3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極氧還原反應(yīng)機(jī)理16-17
• 1.3.3 Pt及Pt基合金催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)及影響因素17-19
• 1.4 催化劑的制備19-22
• 1.4.1 沉積-沉淀法19-20
• 1.4.2 膠體法20
• 1.4.3 溶膠-凝膠法20-21
• 1.4.4 離子交換法21
• 1.4.5 微波法21-22
• 1.4.6 電化學(xué)沉積法22
• 1.4.7 浸漬還原法22
• 1.5 本文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)22-25
• 1.5.1 研究背景與研究思路22-23
• 1.5.2 研究?jī)?nèi)容23
• 1.5.3 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)23-25
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與研究方案25-31
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與實(shí)驗(yàn)設(shè)備25-26
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備25-26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)26-27
• 2.2.1 催化劑的制備26
• 2.2.2 電極的預(yù)處理26-27
• 2.3 物理與電化學(xué)表征27-28
• 2.3.1 X-射線物相及結(jié)構(gòu)分析(XRD)27
• 2.3.2 催化劑表面結(jié)構(gòu)及組成分析(XPS)27-28
• 2.3.3 催化劑顆粒度及形貌觀察(TEM)28
• 2.4 電化學(xué)測(cè)試28-31
• 2.4.1 測(cè)試方法28-30
• 2.4.2 氧還原電催化反應(yīng)的電化學(xué)表征30-31
• 第三章 不同熱處理氣氛調(diào)控Pt-Cu合金催化劑的晶相結(jié)構(gòu)及其電催化性能研究31-47
• 3.1 Pt-Cu合金催化劑的制備31
• 3.2 Pt-Cu合金催化劑的表征31-46
• 3.2.1 Pt-Cu合金催化劑TEM檢測(cè)31-33
• 3.2.2 Pt-Cu納米粒子催化劑的XRD測(cè)試33-37
• 3.2.3 Pt-Cu納米粒子催化劑電化學(xué)性能測(cè)試37-42
• 3.2.4 Pt-Cu納米粒子催化劑XPS檢測(cè)42-46
• 3.3 本章小節(jié)46-47
• 第四章 電化學(xué)法調(diào)控Pt-Cu合金納米粒子催化劑的表面結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性能研究47-68
• 4.1 實(shí)驗(yàn)部分47
• 4.1.1 Pt-Cu合金納米顆粒催化劑的制備47
• 4.1.2 Pt-Cu催化劑的TEM樣品制備47
• 4.1.3 電化學(xué)氧還原工作電極制備47
• 4.2 Pt-Cu合金納米顆粒催化劑的表征47-67
• 4.2.1 Pt-Cu合金納米顆粒催化劑物相結(jié)構(gòu)檢測(cè)47-52
• 4.2.2 Pt-Cu合金納米顆粒催化劑TEM測(cè)試52-55
• 4.2.3 Pt-Cu合金納米顆粒催化劑電化學(xué)性能測(cè)試55-67
• 4.3 本章小結(jié)67-68
• 第五章 結(jié)論與展望68-70
• 5.1 結(jié)論68
• 5.2 展望68-69
• 5.3 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)69-70
• 致謝70-71
• 參考文獻(xiàn)71-76
• 附錄76
• A 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文情況76
• B 攻讀碩士學(xué)位期間參加的主要科研項(xiàng)目76

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 歐陽(yáng)璇;Pt-Cu合金納米催化劑物相與表面結(jié)構(gòu)的調(diào)控及電化學(xué)性能的研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：1081440