铂基燃料电池催化剂的可控合成与电催化性能的研究无机化学专业论文.docxVIP

中国科学技术大学博士学位论文 中国科学技术大学 博士学位论文 坦§童 万方数据 University University of Science and Technology of China A dissertation for doctor’S degree Control led synthesis and eIeCtrOCataIytiC activities of plati n um-—based catalysts for fueI cells 万方数据 中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他入已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：—皇z』鳌 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学 位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 必威体育官网网址的学位论文在解密后也遵守此规定。 ／ 囱公开口必威体育官网网址(——年) 作者虢皇叠 导师虢 签字日期： 签字日期： 万方数据 摘要摘 摘要 摘 要 使用量日益增长的化石能源在提高我们生活质量的同时，也带来了严重的环 境污染，因此开发一种绿色能源是缓解目前环境危机的唯一途径。质子交换燃料 电池作为一种新型能源，运行过程中不排放污染物，是理想的化石能源的替代品。 但质子交换燃料电池的高效运行，依赖于价格昂贵的铂和基于铂的贵金属催化 剂，这严重阻碍了质子交换燃料电池的大规模应用，因此，质子交换燃料电池研 究中的主要内容就是提高铂的催化活性。大量研究证实，铂的催化性能严重依赖 于表面结构。特别是高指数晶面，因其表面原子配位数低，而具有更高的催化活 性。本文主要是在水一乙二醇这一简单体系中通过调节合成参数，开发出一系列 具有高催化活性的燃料电池催化剂。本文主要在以下几个方面开展了研究： 1、铂多足分支纳米结构的可控合成与电催化性能的研究：纳米晶体的表面 参数(特别是比表面积、表面原子分布情况)是影响纳米催化剂性能的重要因素， 分枝结构的结构特征使其具有很好的催化性能，然而在实际合成中却很难实现分 枝数目的可控性。在这个工作中，通过调控合成过程中加入的HCl量，实现了 不同分枝数目的Pt纳米结构的可控合成。在这个反应中，HCI的氧化刻蚀在纳 米晶的合成中起到三个方面的调控作用：(1)调控纳米晶和晶种的结晶度；(2)调 控{111}，{100}晶面的数量；(3)调控新生供给原子的浓度。因此，通过调控HCl 刻蚀剂加入量的简单方法，可以实现三足、四足、六足和八足的Pt纳米分支结 构的可控合成。这种可控合成的方法揭示了结构对于电催化性能影响的机理，测 试显示铂八足纳米晶对甲酸氧化性能最优。本方法为复杂纳米机构的合成和性能 的研究开辟了新的视野。 2、凹面立方铂一氧化石墨烯复合材料的可控合成与电催化性能的研究：当前 在燃料电池中，纳米Pt催化剂用作氧化还原反应(ORR)，但是同时实现稳定性 和高活性仍然是个富有挑战性的工作。在本工作中，我们合成一种高度凹陷且具 有高指数晶面的纳米立方块(HCC)。通过与石墨烯自组装形成复合催化剂可以 显著提高Pt HCC的稳定性，同时体现出非常高的催化性能，比商业用的Pt／C催 化剂的催化性能高了7倍。在催化剂使用量为46}tgcm-2的情况下，半波电位(E1，2) 仍然可以达到0．967V，比Pt／C高63mV，甚至优于文献最高纪录多孔纳米Pt．Ni。 这个工作为基于惰性载体的贵金属纳米催化剂的催化性能调控开辟了新思路。 3、铂多足立方分支结构的镍离子辅助合成与电催化性能的研究：Pt(100) 面通常被认为在氧还原反应(ORR)中活性较低。本论文报道的是一个独特的 Pt多足立方分支纳米结构，其表面主要由{loo)面构成，但在立方体之间连接部 万方数据 摘要分具有少量高指数晶面。其合成过程是通过Ni2+为介质从多枝状结构的高指数 摘要 分具有少量高指数晶面。其合成过程是通过Ni2+为介质从多枝状结构的高指数 {311)面转变至U{100}面。尽管其表面由{loo}面覆盖，铂多足立方体依然表现出 较高的ORR活性，其半电位和电流密度与活性最高的铂镍合金催化剂的性能接 近，而且该催