脉冲电沉积制备高性能核壳催化剂及其对甲酸氧化的催化作用研究

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直接甲酸燃料电池是一种近年发展起来的新型燃料电池。由于其具有功率密度大、毒性小、安全性好等优点引起人们的广泛关注。虽然甲酸燃料电池的研究取得了很大进展,但其商业化进程还受到很多因素的制约,其中催化剂是限制其发展的重要因素之一。本论文采用脉冲电沉积技术,制备了一系列核壳结构钯基催化剂,考察了这些催化剂的甲酸氧化催化活性。(1)采用NaBH4还原法成功地制备了小颗粒的PtAu纳米粒子。以聚乙二醇为保护剂,氯金酸溶液作为前驱体,在前驱体中加入微量的氯铂酸溶液,使用NaBH4进行还原。结果显示,虽然加入的铂含量非常少,但可以显著地减小Au纳米粒子的大小。用普通方法制备的Au粒径约十几纳米,添加氯铂酸后,粒子减小到2.8nm左右。同时,由于保护剂聚乙二醇的作用,所制备的纳米粒子可以很均匀地分布在碳载体上。(2)以NaBH4还原法制备的PtAu/C为核,氯化钯为电解液,利用电沉积技术成功地制备了PtAu@Pd/C核壳催化剂。催化剂的核壳结构分别通过物理表征和电化学手段进行证实。首先,XRD表征结果显示PtAu/C的晶粒度为2.8nm左右,而沉积Pd之后,所得催化剂组分晶粒度约为4.5nm,可以说明Pd沉积在PtAu粒子的表面使得晶粒度变大。其次,TEM表征显示了相同的结果。通过对PtAu/C和PtAu@Pd/C的TEM图做统计分布,得知PtAu/C的粒径主要分布在2.7nm左右,而PtAu@Pd/C主要分布在4.9nm范围左右,与XRD结果一致。从STEM结果可以看出,催化剂具有明显的核壳结构。电子能量损失信号图显示壳层厚度约2个Pd原子层。另外,我们还对催化剂做了XPS表征。通过对XPS结果进行拟合分析,发现Au和Pd的电子结合能都发生了明显偏移,而且表面Au和Pd的原子比远远小于整个催化剂中Au和Pd的理论原子比,这说明催化剂的表面富含Pd元素,并且Pd覆盖在Au的表面。电化学手段通常用于评价催化剂的性能,这个工作中也用于证实催化剂的核壳结构。采用CO溶出伏安分别对PtAu/C、Pd/C和PtAu@Pd/C进行电化学分析。CO在PtAu@Pd/C的表面氧化出现两个峰,前一个为CO在Pt表面的氧化,后一个为CO在Pd表面的氧化。与PtAu/C和Pd/C相比,这两个峰明显负移,可能原因是Pd与Pt之间的相互作用造成的,另外,前一个CO氧化峰比PtAu/C有所减弱,这说明电沉积的Pd覆盖在了PtAu核的表面,导致Pt表面CO的吸附量减小,这同样可以作为证实核壳结构的依据。该催化剂显示了较高的甲酸氧化电流密度,为4.4A.mg-1Pd and0.83A.mg-1metal,分别为商业Pd/C的8.5和1.6倍。(3)采用有机溶胶法制备的Ru/C为核,脉冲电沉积钯为壳,制备了Ru@Pd/C催化剂。首先,采用有机溶胶法以乙二醇为溶剂和还原剂,制备了Ru/C催化剂,XRD和TEM结果显示所制备的Ru/C大约2nm。Ru/C的电化学性能评价采用CO溶出伏安。在0.4V处,出现明显的CO氧化峰,说明所制备的Ru/C基本符合要求。其次,利用脉冲电沉积技术,以有机溶胶法制备的Ru/C为核,沉积Pd制备了Ru@Pd/C核壳催化剂。考察了Ru/C载量、脉冲通断比、沉积量等因素对Ru@Pd/C催化活性的影响。用有机溶胶法分别制备了载量为5%、10%和20%的Ru/C,XRD结果显示三者没有太大差别,沉积相同比例的Pd之后,以10%Ru/C为核的Ru@Pd/C显示了最高的甲酸氧化电流密度。当设置不同的通断比时,Ru@Pd/C显示不同的HUPD峰。随着通断比的减小,氢的吸附峰逐渐减小,一方面说明了Pd的存在,另一方面也说明了虽然脉冲接通的时间相同,但由于拖尾电流等因素的存在使得脉冲断开的时候也会发生Pd的沉积,因此通断比越小,Pd的沉积量越大,氢的吸附峰越大。另外,我们也考察了沉积不同量的Pd制备的Ru@Pd/C的甲酸催化氧化。当Ru:Pd为10:1时,Ru@Pd/C有最大的甲酸氧化电流密度。虽然沉积的Pd的量很少,但Ru@Pd/C的甲酸氧化电流密度很大,无论以A.mg-1metal计算还是以A.mg-1Pd计算,Ru@Pd/C的电流密度都大于商业Pd/C。CO溶出伏安一方面用于评价Ru@Pd/C的抗CO中毒能力,另一方面用于证实Ru@Pd/C的核壳结构。结果显示,Ru@Pd/C在0.40V和0.74V出现两个CO氧化峰,分别为CO在Ru和Pd表面的氧化。与Ru/C和Pd/C相比,这两个峰均发生负移,说明Ru@Pd/C抗中毒能力提高了,这可能是Pd沉积在Ru的表面,Pd与Ru之间的相互作用造成的。以上优点表面该催化剂在甲酸燃料电池领域有非常广阔的应用前景。
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