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质子交换膜燃料电池以其高能量密度、低操作温度、零排放、快速启动等优点,有望作为便携式电子设备、交通工具、电站等用途的发电技术。然而,由于质子交换膜燃料电池自身的一些限制因素阻碍了其大规模的商业化应用,其中一个限制因素便是使用昂贵的铂催化剂带来的高成本。目前,降低燃料电池催化剂成本的主要方法是使用低铂催化剂和非铂催化剂,尤其是核壳结构低铂催化剂的出现。核壳结构低铂催化剂可以大幅度降低铂的用量,从而降低燃料电池的高成本。因此,核壳结构低铂催化剂的研究和开发已成为燃料电池领域内的热点研究课题。本论文使用合金纳米粒子为核,利用欠电位沉积技术,制备了一系列合金为核的核壳结构低铂催化剂;同时,使用浸渍法和有机溶胶法制备了Pt WRu/C催化剂,并考察了这些催化剂的氧还原反应和甲醇氧化反应催化活性。采用X射线衍射(XRD)、电镜技术(TEM和STEM)、热重分析(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)、旋转圆盘电极技术(RDE)等测试手段对催化剂的结构和性能进行了表征,同时也对催化剂的反应机理进行了探索和研究。首先,成功制备了以三元纳米粒子Pd、Ir、Ni为核以Pt为壳层的PdIrNi@Pt/C单原子层核壳结构催化剂。采用欠电位方法,使Cu沉积到三元纳米粒子PdIrNi表面,然后利用Cu与Pt的置换反应在PdIr Ni表面形成单原子层的Pt。PdIrNi@Pt/C单原子层核壳催化剂具有良好的氧还原反应活性,其质量活性明显高于以PdIr和PdNi为核的单原子层核壳结构催化剂,并且是商业20%Pt/C的4倍。在0.1M HClO4,半波电位高达0.91V,高于20%Pt/C 30 mV。通过XRD、XPS、透射电子显微镜、能量色散X射线谱证实了催化剂的核壳结构。最后,对催化剂进行了稳定性试验,结果证明制备的PdIr Ni@Pt/C单原子层核壳催化剂具有非常高的稳定性,我们认为镍溶解产生的多孔结构及残留的镍可能是催化剂的性能增强的主要原因。第二,采用有机溶胶法制备了一系列以碳粉为载体的合金纳米粒子PdRu/C,接着利用欠电位沉积方法,制备出以合金纳米粒子PdRu为核以铂为壳的PdRu@Pt/C单原子层核壳催化剂。在这些PdRu@Pt/C单原子层核壳结构催化剂里,Pd3Ru1@Pt/C表现出最好的氧还原活性,半波电位比Ru@Pt/C高30 mV,其质量活性高达1.05 A mg-1Pt。同时,也对核壳结构纳米粒子催化剂进行了甲醇氧化的催化活性,结果表明,Ru@Pt/C对甲醇氧化催化活性最高,Pd1Ru3@Pt/C次之。第三,利用两步法制备了以三元纳米粒子PdRuNi为核以Pt为壳的单原子层核壳结构催化剂Pd1Ru1Ni2@Pt/C。首先,用化学还原法制备出三元合金纳米粒子Pd1Ru1Ni2;接着通过欠电位沉积技术,在PdRuNi表面生成Pt单原子壳层。结果发现,核中的Ni对氧还原活性和稳定性起着非常重要的作用。经过试验优化,当Pd:Ru:Ni摩尔比为1:1:2时,所形成的单原子层核壳结构催化剂Pd1Ru1Ni2@Pt/C具有最好的活性,其半波电位比PdRu@Pt/C高出65 mV,质量活性高达1.06 A mg–1 Pt,是商业20%Pt/C的5倍。通过XRD、XPS、透射电子显微镜和EDS mapping对催化剂的结构和组成进行了表征。EDS mapping和XPS结果很好地证实了催化剂的核壳结构。最后,对催化剂进行了稳定性试验,结果证明,相对于JM Pt/C(20 wt%Pt),制备的单原子层核壳催化剂Pd1Ru1Ni2@Pt/C具有更好的稳定性。第四,采用欠电位沉积技术,成功地制备了一系列以合金纳米粒子Pd3M(Fe、Co、Ni)为核、Pt为壳的Pd3M@Pt/C核壳结构催化剂。其中,Pd3Fe@Pt/C单原子层核壳催化剂呈现出最佳的催化活性,Pt的表面积活性和质量活性分别为:0.46 mA cm-2、1.14 mA mg-1Pt,分别是20%Pt/C的3倍和5.4倍,已经超过美国能源部要求燃料电池阴极催化剂的Pt使用效率在2017年需要达到的目标。在0.1M HClO4,半波电位高达0.905 V,高于Pd@Pt/C 65 mV。最后,对催化剂进行了稳定性试验,结果证明制备的Pd3Fe@Pt/C单原子层核壳催化剂具有良好的稳定性。第五,采用浸渍还原法制备了一系列以碳粉为载体的合金纳米粒子PdW/C,接着利用欠电位沉积方法,制备出以合金纳米粒子PdW/C为核以铂为壳的Pd W@Pt/C单原子层核壳催化剂。在酸性溶液里,我们研究了这些单原子层核壳结构催化剂的氧还原活性。不同原子比的20%PdW@Pt/C催化剂,对于ORR的表观催化活性从大到小的顺序为:Pd3W1@Pt/C>Pd9W1@Pt/C>Pd1W1@Pt/C>Pd1W3@Pt/C。Pd3W1@Pt/C具有最高的质量活性和比表面活性,分别是商业20%Pt/C的2.6倍和4.6倍。第六,制备了Pt RuW/C纳米粒子催化剂。研究了不同原子比的Pt RuW/C催化剂,对于ORR的表观催化活性次序为:Pt Ru1W4/C>Pt Ru1W1/C>Pt Ru3W1/C>Pt Ru1W1/C>Pt Ru/C。Pt Ru1W4/C具有最高的MA和SA,分别是商业40%Pt/C的3.1倍和6.3倍。最后,采用计时电流法对Pt Ru1W4/C进行了稳定性测试,结果表明我们制备的Pt Ru1W4/C具有非常优秀的稳定性。