【摘要】：大量消耗化石能源所引發(fā)的能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重,開發(fā)環(huán)境友好的綠色清潔能源迫在眉睫。質(zhì)子交換膜燃料電池作為其中的一項(xiàng)清潔能源技術(shù),由于其具備高能量轉(zhuǎn)換效率、高能量密度、低污染物排放或零排放等顯著優(yōu)點(diǎn),正逐漸受到各國的廣泛關(guān)注和重視。但是限制燃料電池大規(guī)模推廣的主要問題在于其陰極氧還原反應(yīng)(ORR)緩慢的動(dòng)力學(xué)通常要求高的Pt負(fù)載來獲得期望的性能,而Pt屬于稀少且昂貴的金屬。因此,開發(fā)高活性、高穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的Pt基催化劑一直以來是眾多科研人員努力研究的方向。最常用的方法之一是在由較低含量的貴金屬和/或非貴金屬制成的核表面上沉積薄的或原子層厚度的Pt殼,形成核-殼納米晶。這種基于Pt的核-殼電催化劑不僅使Pt的利用效率達(dá)到最大,而且提供了通過配體和幾何效應(yīng)調(diào)節(jié)ORR活性和穩(wěn)定性的方案。本文主要圍繞Pt基多金屬核殼納米晶在燃料電池陰極ORR中的應(yīng)用展開了一系列的研究�；诮M分、結(jié)構(gòu)和形貌的設(shè)計(jì),通過簡(jiǎn)單的濕化學(xué)合成法,成功地制備了 Au-Pd@Pt二十面體和Pd-Cu@Pt截角八面體核殼納米晶,并分別研究了它們的氧還原催化性能。全文創(chuàng)新成果總結(jié)如下:(1)通過熱力學(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了 Pt在AuPd二十面體襯底上的外延生長(zhǎng),成功獲得了一種具有Au-Pd合金核層、Pd中間層和超薄Pt殼的三層核殼二十面體納米晶。通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體Au與Pd的比例,可調(diào)節(jié)Pd中間層厚度分別為12、6、3和0個(gè)原子層。氧還原性能研究發(fā)現(xiàn):活性與Pd中間層厚度之間存在一種火山曲線趨勢(shì)的關(guān)系。其中,Pd中間層厚度為6個(gè)原子層時(shí)性能最優(yōu),比活性和質(zhì)量活性分別為商用Pt/C的7.5倍和11.6倍,且50000個(gè)循環(huán)后的質(zhì)量活性僅損失8.6%,展現(xiàn)了優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。(2)通過熱力學(xué)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了 Pt在PdCu截角八面體襯底上的外延生長(zhǎng),成功制備了Pd2Cu@Pt、PdCu@Pt和PdCu2@Pt等三種截角八面體核殼納米晶。以上三種納米晶催化劑均展現(xiàn)出了優(yōu)于商用Pt/C催化劑的氧還原性能。其中,具有Pd中間層的Pd2Cu@Pt納米晶相比于不含Pd中間層的PdCu@Pt和PdCu2@Pt表現(xiàn)出更好的催化性能。其活性和質(zhì)量活性分別為0.46 mA/cm2和0.59 mA/μgPt,分別是商用Pt/C催化劑的2.7和4.5倍。因此,通過引入廉價(jià)的Cu不僅提高了催化劑的氧還原活性,還顯著降低了成本。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4
【圖文】：

逑２．３質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理逡逑圖２．１是以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理圖［１１氫氣作為燃逡逑料被送入陽極，發(fā)生電催化氧化反應(yīng)，生成水合氫離子和電子。由于固體聚合物逡逑膜對(duì)質(zhì)子導(dǎo)通但是對(duì)電子絕緣的特性，生成的水合氫離子會(huì)穿過固體聚合物膜傳逡逑送至陰極，電子則由外電路從陽極流向陰極。已經(jīng)到達(dá)陰極的氫離子及電子會(huì)與逡逑陰極處的氧氣發(fā)生電催化還原反應(yīng)，生成的水會(huì)大部分隨反應(yīng)的尾氣排出。此時(shí)，逡逑由于陽極的氫離子遷移使得陽極整體成為一個(gè)帶負(fù)電的端子，而陰極處的氧分子逡逑與電子作用生成的氧離子使得陰極整體成為一個(gè)帶正電的端子。這樣，陰極和陽逡逑極之間就會(huì)存在一個(gè)電勢(shì)差，倘若通過外部電路導(dǎo)通，就會(huì)自然而然的在回路中逡逑產(chǎn)生電流

圖２．２氧還原反應(yīng)的Ｗｒｏｂｌｏｗａ機(jī)理圖［１４］逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍｅ邋ｏｆ邋ｏｘｙｇｅｎ邋ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ邋ｐａｔｈｗａｙ［１４］逡逑Ｗｒｏｂｌｏｗａ等人［１４］對(duì)ＯＲＲ這一復(fù)雜的過程給出了比較合理的解釋，如圖２．２逡逑６逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王麗娟;在石墨及聚酞菁化合物電極上氧還原的電催化[J];催化學(xué)報(bào);1988年01期

2 吳智遠(yuǎn);周運(yùn)鴻;高榮;;二氧化錳對(duì)氧還原的電催化行為[J];武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1988年03期

3 杜誠;高小惠;陳衛(wèi);;銅基非貴金屬氧還原電催化劑的研究進(jìn)展（英文）[J];催化學(xué)報(bào);2016年07期

4 王瀛;張麗敏;胡天軍;;金屬空氣電池陰極氧還原催化劑研究進(jìn)展[J];化學(xué)學(xué)報(bào);2015年04期

5 黃幼菊;李偉善;黃青丹;李偉;張慶龍;蔣臘生;;氫鉬青銅對(duì)鉑催化氧還原反應(yīng)的促進(jìn)作用[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2007年05期

6 余希立;李平;鄭俊生;吳云霞;周興貴;;不同微結(jié)構(gòu)納米碳纖維電極的氧還原性能[J];華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年06期

7 苗鶴;薛業(yè)建;周旭峰;劉兆平;;石墨烯基氧還原催化劑在金屬空氣電池中的應(yīng)用[J];化學(xué)進(jìn)展;2015年07期

8 陳潔;高建民;;摻雜碳材料用于氧還原反應(yīng)中的研究進(jìn)展[J];廣州化工;2015年21期

9 楊偉;陳勝洲;鄒漢波;林維明;;氮摻雜非貴金屬氧還原催化劑研究進(jìn)展[J];化工進(jìn)展;2010年11期

10 趙東江;;石墨烯在氧還原反應(yīng)催化劑中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J];綏化學(xué)院學(xué)報(bào);2013年09期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 李昊亮;張慧娟;李祥太;趙斌;楊俊和;;預(yù)處理對(duì)鈷基非貴金屬氧還原催化劑性能影響的研究[A];第30屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2013年

2 陳艷霞;;對(duì)氧還原電催化中的一些基本科學(xué)問題的思考[A];第31屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2015年

3 沈岸麗;王雙印;;電荷轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)增強(qiáng)石墨烯催化氧還原反應(yīng)[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第23分會(huì)：電催化與潔凈能源電化學(xué)轉(zhuǎn)化[C];2014年

4 蔣雨霏;楊立軍;胡征;;硼氮共摻雜微結(jié)構(gòu)對(duì)碳納米管氧還原電催化性能的影響[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第23分會(huì)：電催化與潔凈能源電化學(xué)轉(zhuǎn)化[C];2014年

5 張盾;;堿性燃料電池中氧還原反應(yīng)的催化劑-納米氧化錳的研究[A];中國化學(xué)會(huì)第26屆學(xué)術(shù)年會(huì)新能源與能源化學(xué)分會(huì)場(chǎng)論文集[C];2008年

6 楊立軍;蔣雨霏;;碳基材料氧還原活性結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)驗(yàn)探索[A];中國化學(xué)會(huì)第30屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集-第十八分會(huì)：電子結(jié)構(gòu)理論方法的發(fā)展與應(yīng)用[C];2016年

7 熊中平;司玉軍;張英;李敏嬌;;取代基修飾碳納米管電催化氧還原反應(yīng)活性研究[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第23分會(huì)：電催化與潔凈能源電化學(xué)轉(zhuǎn)化[C];2014年

8 王靜;王勇;;S、N共摻雜石墨炭材料的制備及催化氧還原性能研究[A];第十四屆全國青年催化學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議論文集[C];2013年

9 張?jiān)?胡勁松;魏子棟;萬立駿;;基于碳納米管和石墨烯的非貴金屬氧還原催化劑[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第23分會(huì)：電催化與潔凈能源電化學(xué)轉(zhuǎn)化[C];2014年

10 楊立軍;蔣雨霏;胡征;;開發(fā)在酸/堿性介質(zhì)中有高氧還原催化活性的碳基納米材料[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第37分會(huì)：能源納米科學(xué)與技術(shù)[C];2014年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 本報(bào)記者 李禾;給生活垃圾找條“回去”的路[N];科技日?qǐng)?bào);2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 張曉華;非貴金屬氧還原催化劑的設(shè)計(jì)合成及氧還原歷程研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所);2018年

2 曾黎明;基于氧還原和析出反應(yīng)的金屬復(fù)合催化劑設(shè)計(jì)和制備[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所);2018年

3 劉柏辰;氮摻雜碳氧還原催化劑的制備及其性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

4 鄧怡杰;高性能碳基非貴金屬催化劑的制備及氧還原性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

5 王宇;空心、大孔氮摻雜多孔碳的合成及其氣體吸附、氧還原的性能研究[D];吉林大學(xué);2018年

6 薛業(yè)建;金屬空氣電池新型錳酸鑭基氧還原陰極催化材料研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所);2017年

7 張雙雙;非鉑類高效氧還原催化劑設(shè)計(jì)及性能研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所);2017年

8 崔超男;電化學(xué)二氧化碳還原和氧還原的密度泛函理論研究[D];天津大學(xué);2017年

9 胡波兵;固體氧化物陰極表面氧還原反應(yīng)過程研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

10 廖玲文;氧還原方法學(xué)及其催化劑研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 付佳琦;Fe_(28)多金屬氧簇在顯色免疫檢測(cè)和電催化氧還原領(lǐng)域的性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2018年

2 陳奧靈;大環(huán)化合物衍生的多孔摻雜碳材料及其氧還原電催化性能[D];華東師范大學(xué);2018年

3 徐桂;MOFs基鈷氮摻雜碳及其復(fù)合材料的制備和氧還原催化性能研究[D];新疆大學(xué);2018年

4 余志鵬;二維氮摻雜介孔碳材料的制備及其氧還原反應(yīng)研究[D];華南理工大學(xué);2018年

5 楊靖雯;Pt基合金氧還原催化劑的制備與性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

6 李小江;錫磷摻雜鉑催化劑催化氧還原反應(yīng)的密度泛函理論研究[D];華南理工大學(xué);2018年

7 王倩楠;基于納米金的高效氧還原催化劑的制備與應(yīng)用[D];華南理工大學(xué);2018年

8 宋一博;鈷（鐵）氮碳復(fù)合材料的制備及其催化氧還原性能研究[D];華南理工大學(xué);2018年

9 司文燕;石墨炔基碳材料在氧還原中的應(yīng)用[D];青島大學(xué);2018年

10 徐慶豐;鉑基多金屬核殼納米晶的可控制備及其氧還原性能研究[D];浙江大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2731829