石墨化纳米金刚石负载过渡金属及合金电催化剂

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纳米金刚石(nanodiamond简称ND)兼具金刚石和纳米材料的双重特性,具有很好的热稳定性和抗氧化性能,近年来作为高稳定的燃料电池催化剂载体的应用取得了很好的效果。但是较低的导电性及与铂催化剂的亲合性限制了其应用发展。本文通过真空热处理ND,使其表面发生石墨化,提高了其导电性能,而芯部仍保持金刚石结构,从而得到核壳结构的石墨化纳米金刚石(GND)。以制备的GND为载体,通过微波辅助乙二醇还原法分别制备了PtNi/GND合金催化剂以及非Pt催化剂Ni/GND和Ni/MoC_x/GND。并以Ni/MoC_x/GND为载体,采用微波辅助乙二醇还原法制备了低Pt载量(10wt%)的Pt-Ni/MoC_x/GND复合催化剂。通过X射线衍射、透射电子显微镜和能谱仪研究了催化剂的结构和形貌。考察了载体的稳定性,并分别研究了催化剂在酸性溶液和碱性溶液中对甲醇氧化和氧还原的催化能力及其长期稳定性。研究结果表明,通过将ND进行1300C真空热处理,表面得到了2nm厚度的石墨化碳层,芯部保持了金刚石的结构,获得了石墨化的碳包裹着纳米金刚石的核壳结构的GND。和传统的碳载Vulcan XC-72相比,GND表现出更好的抗氧化性能。通过微波辅助乙二醇共沉积的方法制备的PtNi/GND合金催化剂以原子比为1:1的PtNi合金纳米颗粒均匀的分散在GND上。和纯Pt催化剂相比,PtNi/GND合金催化剂对甲醇氧化和氧还原都具有更高的催化活性以及更好长期稳定性。在微波辅助乙二醇还原法和真空热处理法得到非Pt催化剂Ni/GND和Ni/MoC_x/GND的催化剂颗粒均匀的分布在载体上。在碱性溶液中Ni/GND和Ni/MoC_x/GND催化剂都具有对甲醇氧化的催化作用,其中Ni/MoC_x/GND催化剂表现出更好的催化活性以及更好的稳定性。以Ni/MoC_x/GND为载体,通过微波辅助乙二醇还原法制备的低Pt载量(10wt%)的Pt-Ni/MoC_x/GND复合催化剂颗粒均匀的分散在载体上。在碱性溶液中,Pt-Ni/MoC_x/GND复合催化剂比Pt/GND催化剂具有更好的稳定性。虽然Pt载量为10wt%Pt-Ni/MoC_x/GND复合催化剂对氧还原的催化活性稍微比Pt载量为20wt%的Pt/GND催化剂的低,但在稳定性测试之后Pt-Ni/MoC_x/GND催化氧还原的活性比Pt/GND的好。在酸性溶液中,和Pt载量为20wt%的Pt/GND催化剂相比,Pt载量为10wt%Pt-Ni/MoC_x/GND复合催化剂具有相似的催化氧还原的活性且具有更好的长期稳定性。
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