钯基电催化剂的制备及其在甲酸氧化反应中的应用

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由于传统化石燃料的过度使用,能源危机和环境污染问题日益严峻。因此推动基于电催化反应的电化学能源转换和存储技术的发展显示出了十分重要的现实意义。Pd金属在如析氢、氧还原和甲酸氧化(Formic acid oxidation reaction,FAOR)等多种催化反应中扮演着重要的角色,但是商业Pd/C催化剂较差的催化活性和Pd本身易于被CO毒化的特点阻碍了其进一步应用。在此大背景下,开发新型、高效的Pd基电催化剂有着很重要的研究意义。当前的研究中制备Pd基电催化剂的方式有很多种,其中电化学方法有成本低、制备速率快、步骤简便和纯度高的优点,且能在电极上原位形成纳米结构,在催化剂制备领域中展现出广阔的应用前景。电化学法虽然有着诸多优势,但是常用的如恒流、恒压电沉积对制备产物的形貌及尺寸调控能力不足,影响了贵金属基电催化剂的利用效率和性能表现。因此需要进一步设计优化电化学制备方法提高电催化剂的催化活性。在本文第一部分工作中,通过设计一种两步电沉积-脉冲方波处理的电化学方法,实现了具有小尺寸高分散的Pd纳米颗粒电催化剂的制备。首先,通过恒流电沉积在碳纸上制备了模型催化剂,并对其施加具有混合频率的脉冲方波,得到具有35 nm的尺寸的样品,此样品展现出了最好的FAOR催化性能:其峰值电流密度为1.43 A mg-1,大约为传统商业Pd/C催化剂的4.6倍,并且在计时电流测试中,其电流保持率也有着很大的提升。在本文第二个工作中,为了改善Pd元素本身易于失活的特性,在前一个工作的基础上,通过向方波处理过程的溶液中添加H2PtCl6,将Pt引入到Pd颗粒中得到了 PdPt合金电催化剂。得益于脉冲方波对催化剂优异的调控能力,获得了具有不同形貌和元素比值的PdPt电催化剂。将这些电催化剂应用于电催化FAOR,其中具有树枝状形貌的样品展现出了最好的电催化性能:经过1000 s计时电流测试其电流密度的保持率为29.6%,这表明Pd金属易于毒化的缺点得到了明显的改善。该样品具有较高性能的原因是第二种金属Pt的引入改善了催化剂的成分,调节了电子结构进而影响了 COads在催化剂表面的吸附。本文通过电化学方法制备了 Pd基电催化剂,通过改变方波处理过程中溶液成分,使用不同方波处理的频率及时间,调控了催化剂的尺寸和分布、成分和形貌进而提升其催化性能,对Pd基电催化剂的制备和发展显示出重要的意义。
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