對化石燃料的依賴已經(jīng)給環(huán)境造成了嚴重影響,因此需要發(fā)展一種環(huán)境友好的新技術(shù),對能源進行清潔和高效地存儲與轉(zhuǎn)換。因為燃料電池可以在低溫下運行、能量轉(zhuǎn)化效率高并且碳排放量低,被認為是可持續(xù)發(fā)展的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而,由于缺乏性價比高、活性優(yōu)且穩(wěn)定性強的催化劑,燃料電池的發(fā)展受到了嚴重阻礙。隨著合成化學(xué)、電化學(xué)以及計算化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,人們對催化劑的制備、催化機理和結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間關(guān)系的理解也逐漸深入。氨基酸分子含豐富的官能團（如-NH₂、-SH、-COOH和-OH等）,具有較強的與金屬離子配位的能力,其與金屬離子生成的配合物可以顯著調(diào)節(jié)反應(yīng)速率,使得通過控制反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控納米晶的結(jié)構(gòu)和形貌成為可能;另一方面,N等雜原子的引入也可以調(diào)控催化劑活性中心的電子狀態(tài)或碳載體材料的本征活性。本論文主要探討了谷氨酸（Glutamic acid）、精氨酸（Arginine）、脯氨酸（Proline）以及組氨酸（Histidine）四類氨基酸分子在可控合成電催化劑中的應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上進一步研究了催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌和組成對其電催化性能的影響。具體如下:1.以Glutamic acid... 

【文章來源】：南京師范大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：106 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

（a）燃燒化石燃料產(chǎn)生的CO2等廢棄物；（b）人們被空氣污染所困擾；（c）PEMFCs示意圖；（d）燃料電池驅(qū)動的電動汽車

第1章緒論3圖1.2燃料電池汽車的成本演進與預(yù)測[2]。柱狀圖顯示的是PEMFCs的成本（美元），柱狀圖上顯示的紅色標注為燃料電池汽車的總成本。插圖：基于每年生產(chǎn)50萬個燃料電池系統(tǒng)的燃料電池汽車的成本分配。BOP：配套設(shè)施；GDL：氣體擴散層；FCEV：燃料電池電動汽車；MEA：膜電極組件另一方面，現(xiàn)有PEMFCs的實際工作壽命最長只有1900小時，而美國能源部要求商業(yè)化移動PEMFCs的使用壽命要不低于5000小時的循環(huán)工作時間。造成PEMFCs工作壽命短的因素有多種，其中催化劑的耐久性是影響其壽命的最為關(guān)鍵的因素之一。催化劑的耐久性主要受到兩個方面影響：（1）催化劑在長期使用過程中，發(fā)生的溶解、遷移和聚集會導(dǎo)致金屬催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌發(fā)生變化，催化劑性能降低；（2）貴金屬催化劑非常容易被陽極氧化過程中的中間產(chǎn)物和空氣中的毒化物種（如SOx和NOx等）毒化，導(dǎo)致催化活性降低。因此，研發(fā)成本低、性能優(yōu)且穩(wěn)定性強的催化劑是推動PEMFCs大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵。1.2燃料電池催化劑對燃料電池而言，其燃料和氧化劑是在電催化劑的輔助下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)來產(chǎn)生電力。電催化劑的作用是加速電極和電解質(zhì)界面上的電催化反應(yīng)或降低反應(yīng)的活化能，從而使得電催化反應(yīng)更容易進行。因此，優(yōu)化催化劑的活性以及提升催化劑的穩(wěn)定性對燃料電池的發(fā)展具有重要的意義。通常催化劑的活性可以從兩方面進行改善：（1）增加催化劑中可接觸的活性位點數(shù)量（通過負載或者改進催化劑結(jié)構(gòu)使其暴露更多的活性位點）；（2）增加

第1章緒論4每個活性位點的本征活性。這兩方面并不相互排斥，理想的情況下可以同時改進這兩點以最大程度增強催化劑的活性。與此同時，在不影響其他重要過程（如電荷和質(zhì)量傳輸）的前提下，電極上可以負載的催化劑的數(shù)量是有物理限制的，如圖1.3的插圖顯示了催化劑負載量過高時的平臺效應(yīng)。值得注意的是，增加活性位點的內(nèi)在活性將直接導(dǎo)致電極活性的增加，從而減輕催化劑負載量過高時可能引起的傳輸限制。即通過提升催化劑的內(nèi)在活性，同時減輕催化劑的負載量，可以達到提升催化劑活性的同時節(jié)約催化劑成本的目的。在電催化過程中，催化劑自身的溶解和奧斯特瓦爾德（Ostwald）熟化、載體的腐蝕以及氧擴散的阻力等均是影響催化劑穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。因此，可以通過合成組分、形貌和結(jié)構(gòu)可控的新型催化劑來調(diào)控其對催化反應(yīng)的活性和穩(wěn)定性。圖1.3催化劑研發(fā)策略示意圖[3]按照元素在地殼中的含量，電催化劑可分為貴金屬納米材料和非貴金屬納米材料。貴金屬元素包括釕（Ru）、銠（Rh）、Pt、鈀（Pd）、鋨（Os）、銥（Ir）、金（Au）和銀（Ag）。貴金屬的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，且對大部分催化反應(yīng)有良好的催化活性。但是貴金屬催化劑的成本過高，限制了其大規(guī)模的使用。將貴金屬與第二元素形成組分可調(diào)的合金，不僅可以利用不同組分間的電子耦合和應(yīng)力作用來顯著提高貴金屬合金納米催化劑的本征催化活性，還可以降低催化劑的成本。除了對催化劑的組分進行調(diào)控之外，調(diào)控催化劑的結(jié)構(gòu)使其暴露出更多的活性位點也有利于其催化性能的顯著提升。另一種由內(nèi)層材料（核）和外層材料（殼）

【參考文獻】：
期刊論文
[1]電催化劑設(shè)計中表面和界面工程的最新進展（英文）[J]. 王成名,柏嵩,熊宇杰.  催化學(xué)報. 2015(09)



本文編號：3353545