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在电解水和直接醇类燃料电池领域,贵金属Pt是目前氢析出(HER)、氧还原(ORR)、甲醇氧化(MOR)和乙醇氧化反应(EOR)最好的电催化剂,但Pt较低储量和较高成本严重制约了其在这俩领域中的规模化应用。进一步提高Pt催化剂性能并降低Pt用量将是推动Pt催化剂实际应用的有效方式。为此本文通过实验和理论计算,对氮掺杂碳纳米管上负载的少量Pt催化剂HER、ORR、MOR和EOR电催化性能、提高Pt催化剂性能的氮掺杂活性结构及耐乙醇渗透性能等展开系统深入研究,以推动高效低廉Pt基催化剂的定向设计和规模化实际应用,具体研究内容如下:(1)氮掺杂碳纳米管对负载的少量Pt催化剂HER性能的影响采用化学气相沉积法(CVD)制备氮掺杂碳纳米管。改变真空条件下的加热温度和时间并结合XPS表征对碳纳米管中氮掺杂结构的分布进行调控并负载相同理论含量的少量Pt,通过SEM、TEM和XPS等表征手段对制备出的Pt基催化剂的形貌、结构和元素含量等表征分析,并采用电化学手段考察其在酸碱条件下的HER活性和稳定性等。结果表明:石墨氮含量最高的氮掺杂碳纳米管上仅负载8.6wt%的Pt催化剂时,其在碱性条件下HER活性和稳定性竟超过40wt%商业Pt/C催化剂,在酸性条件下HER活性和稳定性也和40wt%商业Pt/C催化剂相当。同时进一步考察Pt基催化剂的本征活性(TOF)和不同氮掺杂结构含量之间的相关性,结合密度泛函理论(DFT)计算,结果表明:石墨氮是提高Pt催化剂HER性能的主要活性掺杂结构。(2)氮掺杂碳纳米管对负载的少量Pt催化剂MOR和EOR性能的影响采用电化学手段对碱性条件下上述制备出的一系列Pt基催化剂的MOR和EOR活性和稳定性等进行考察,结果表明:石墨氮含量最高的氮掺杂碳纳米管上负载8.6wt%的Pt催化剂在碱性条件下MOR与EOR活性和稳定性都超过20wt%商业Pt/C催化剂。同时对Pt基催化剂MOR与EOR的TOF值和不同氮掺杂结构含量进行相关性考察,结果表明:石墨氮也是提高Pt催化剂MOR和EOR性能的主要活性掺杂结构。(3)氮掺杂碳纳米管上极少量Pt催化剂EOR和ORR的电催化选择性以上述CVD制备出的氮掺杂碳纳米管作为载体并在其表面负载不同含量的Pt,通过TEM、XRD和LA-ICP-MS等表征手段对所制得的Pt基催化剂的形貌、晶面和实际Pt负载量等表征分析,采用电化学手段对其在碱性条件下的EOR和ORR活性进行评价。结果表明:当Pt负载量为0.07wt%时,Pt催化剂上几乎不发生EOR,但却表现出较好的ORR活性,同时Pt基催化剂ORR和EOR峰电位的变化与Pt(111)晶面的暴露量有关。DFT计算显示:带负电的氮掺杂碳纳米管表面负载的极少量Pt催化剂上氧分子的吸附能是乙醇分子的3.79倍,表明乙醇和氧分子同时存在时,极少量Pt催化剂会选择性催化氧气,从而避免乙醇渗透引起混合电位。