【摘 要】
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随着人口的增长和科技的发展,研究设计高催化性能和低成本的新型催化剂材料,对于实现能源的高效转化和储存,解决目前能源短缺问题具有重要意义。性能优异的电催化剂能有效增大电流密度、降低反应的过电势、提高电催化活性及稳定性,一直是电化学领域的研究热点。在燃料电池、电解水、金属-空气电池等先进能源转换和存储技术中,氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）等电化学反应是核心过程。目前这些核
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随着人口的增长和科技的发展,研究设计高催化性能和低成本的新型催化剂材料,对于实现能源的高效转化和储存,解决目前能源短缺问题具有重要意义。性能优异的电催化剂能有效增大电流密度、降低反应的过电势、提高电催化活性及稳定性,一直是电化学领域的研究热点。在燃料电池、电解水、金属-空气电池等先进能源转换和存储技术中,氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）等电化学反应是核心过程。目前这些核心反应的最佳催化剂大多数是Pt系贵金属,但考虑到Pt催化剂的稀缺性和功能单一性,采用合金化手段调整其电子结构,成为减小Pt金属用量,提高催化性能的重要手段。在电催化剂中,适当的载体材料不仅可以作为分散金属的物理载体,还可以与载体发生相互作用,从而影响催化活性和稳定性。考虑到碳载体在稳定金属原子和金属-载体相互作用（EMSI）效应方面的独特作用,本文采用固相高温退火方法在不同的碳载体上负载FePt合金,并对电催化剂的结构以及电化学性能进行了研究。本文的研究内容如下:1.采用原位生成的二氧化硅粒子作为模板,获得空心碳球,然后用固相高温退火方法在不同温度下合成了不同组分的FePt-空心碳球复合纳米催化剂。对催化剂的ORR电化学性能进行了测试,并且与商业Pt/C进行了对比,旨在确立最优的结构和组分。研究发现材料形成了FePt合金包裹在空心碳球面的特殊结构,反应温度和前驱物含量都会影响FePt纳米合金的结构有序化和颗粒尺寸。其中500℃下组分为Fe50Pt50有着最优的电化学性能,其极化曲线中的半波电势为0.75 V,高于相同测试条件下的商业Pt/C催化剂（半波电势为0.68 V）,其ORR质量活性为商业Pt/C的6.4倍,而且经过循环后的稳定性半波电位延迟为7 m V,比商业Pt/C更稳定（高于Pt/C催化剂的30 m V）。2.为了进一步探究FePt-碳球复合纳米材料催化剂在不同电化学反应中的性能,对样品酸性环境下的HER电化学性能进行了研究。从反应温度和合金组分两方面进行研究,发现两者对材料电化学活性和稳定性有着明显影响。其中800℃下Fe50Pt50-空心碳球样品在10 m A/cm~2电流密度下的过电势低于商业Pt/C,600℃下Tafel斜率最小为28m V/dec,低于商业Pt/C的30 m V/dec。而且经过5000圈电化学循环后在20 m A/cm~2的电流密度下观察到9 m V的电位偏移,该电位偏移小于商业Pt/C（17m V）的电位偏移,表现出优异的稳定性,这些为低Pt高效的电解水析氢催化剂材料的研究提供了新的思路。3.考虑到不同碳载体的独特结构和金属的相互作用,本研究在不同温度下用碳纳米管代替空心碳球合成了不同组分的FePt-碳纳米管复合催化剂。通过物性表征及电化学性能测试,研究发现合适的温度和组分比会使FePt-碳纳米管性能得到优化提升。其中600℃下Fe50Pt50-碳纳米管的半波电势为0.763 V,远高于商业Pt/C的0.68 V,而且起始点位（极限电流的5%所对应的电位）也远高于商业Pt/C,其不同电势下的ORR质量活性是商业Pt/C的6倍左右,经过循环后材料表面杂质的消耗溶解暴露出更多的活性位点,让其性能正向偏移20 m V。该体系催化活性和稳定性的增强可归功于金属-载体相互作用以及FePt合金化后优化的电子结构。
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