过渡金属核-壳结构和空心球形纳米粒子的制备及其修饰电极催化氧还原性能

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聚合物电解质燃料电池(PEFCs)因其具有能量密度高、连续工作、清洁环保等优点,已成为全球能源化工研究的热点之一。电催化剂是燃料电池的重要材料,选择合适的电催化材料是降低电极反应活化能、加快反应速率、提高燃料电池能量转换效率的关键。在各类燃料电池和空气电池中,阴极反应几乎总是氧的还原。然而,氧还原是一复杂的得电子过程,在相同条件下氧的交换电流密度与氢相比约差7个数量级,过电位高,可逆性差,高效电化学还原不易实现。尽管 Pt及其合金无论在酸性还是碱性介质中都是阴极氧还原比较理想的催化材料,但与氢阳极氧化相比,氧阴极还原耗铂催化剂量大。由于铂资源少、价格贵、抗甲醇等有机小分子和CO毒化能力差等缺陷阻碍了其实用化进程。
　　据报道,如果能适当地设计催化剂的表面结构,将能提高其催化活性和稳定性。本论文从设计合成特殊结构的纳米粒子催化剂,以提高对甲醇燃料电池阴极氧还原性能的研究目的出发,主要开展了以下几个方面的研究工作:
　　1.以100 nm Au粒子为核,抗坏血酸为还原剂,H2PtCl6·6H2O为前驱体合成了 Pt包 Au核-壳结构纳米粒子(Au@Pt)及其修饰的玻碳(GC)电极(Au@Pt/GC)。采用旋转圆盘电极等常规电化学方法比较了Au@Pt/GC和商用碳载铂(Pt/C)修饰GC(Pt/C/GC)电极催化O2还原反应活性及耐甲醇性能,发现Au@Pt纳米粒子在显著降低铂用量的情况下,不但其催化 O2还原反应活性仍然与商用Pt/C相当,而且还具有优良的耐甲醇性能;其催化 O2还原反应机理按O2直接还原成 H2O的4电子历程进行。
　　2.以40 nm Au粒子为核,合成了不同覆盖度的Au@Pd核-壳结构纳米粒子。用旋转圆盘电极等常规电化学方法检测、比较了不同覆盖度 Au@Pd纳米粒子和商用Pt/C催化氧还原反应活性,结果表明覆盖度为2的Au@Pd纳米粒子比商用Pt/C催化O2还原反应活性高,而且具有优良的耐甲醇性能。
　　3.以40 nm Au粒子为核,Pt(acac)2为前驱体分别以油胺和乙二醇为还原剂,合成了 Au@Pt3Ni和Au@PtNi4等核-壳结构纳米粒子。用旋转圆盘电极等常规电化学方法检测了Au@Pt3Ni，Au@PtNi4纳米粒子催化氧还原反应活性,并与Pt/C催化氧还原反应的活性相比较。结果表明:Au@Pt3Ni，Au@PtNi4纳米粒子不但其催化O2还原反应活性大于商用Pt/C,而且催化O2还原反应机理按O2直接还原成 H2O的4电子历程进行。
　　4.以亚硒酸为前驱体,抗坏血酸为还原剂,制备了a-Se溶胶。以a-Se溶胶为模板合成了Se@PdSe2和PdSe2空心纳米粒子[(PdSe2)HN，HN为Hollow
　　Nanospheres的缩写]及其修饰玻碳电极[ Se@PdSe2/GC和(PdSe2)HN/GC]。用旋转圆盘电极等常规电化学方法检测并比较了PdSe2/GC和(PdSe2)HN/GC纳米粒子催化氧还原反应活性。结果表明PdSe2和(PdSe2)HN纳米粒子在碱性条件下的氧还原活性相当。

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作者
邓小聪;
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作者单位

江西师范大学;

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授予单位江西师范大学;
学科物理化学
授予学位硕士
导师姓名钟起玲;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;材料结构及物理性质;
关键词
聚合物电解质燃料电池; Au核壳结构; 纳米粒子催化剂; 修饰电极; 催化氧; 还原性能;

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