【摘 要】
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质子交换膜燃料电池作为一种绿色、高效的发电技术,有着丰富的应用前景,制约其发展的核心问题之一便是作为电池阴极反应的氧还原反应(ORR)的过电势太高,动力学缓慢。由于目前的燃料电池工作环境多为强酸条件,因此选择合适的酸性ORR反应催化剂就显得尤为重要。目前常见的电极材料为稀有的贵金属铂(Pt),其储量和价格都严重制约了燃料电池更广泛的应用,因此目前的研究重点就在于如何提升其它抗酸腐蚀金属的催化性能。
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质子交换膜燃料电池作为一种绿色、高效的发电技术,有着丰富的应用前景,制约其发展的核心问题之一便是作为电池阴极反应的氧还原反应(ORR)的过电势太高,动力学缓慢。由于目前的燃料电池工作环境多为强酸条件,因此选择合适的酸性ORR反应催化剂就显得尤为重要。目前常见的电极材料为稀有的贵金属铂(Pt),其储量和价格都严重制约了燃料电池更广泛的应用,因此目前的研究重点就在于如何提升其它抗酸腐蚀金属的催化性能。材料的电子云密度与氧键能的强弱直接相关,故而会影响ORR反应过程中中间产物形成的难易程度,因此通过创造晶格应变从而影响电子云密度,很有可能得到高性能的催化剂。因此,本文选取钯(Pd)作为研究对象,通过激光液相烧蚀法创造晶格应变,进而调控其对氧中间体的吸附和ORR催化性能,具体的研究结果和创新性如下:(1)利用激光液相烧蚀法,通过调整激光参数和溶质浓度,得到具有不同内部晶格应变的Pd纳米颗粒。该方法简单有效的得到不同晶格应变程度的Pd纳米颗粒,同时克服了传统方法不易在纳米颗粒中制得晶界的问题。(2)使用XRD和XAS对样品进行分析发现,激光创造出的晶格应变导致Pd纳米颗粒的晶格压缩,平均压缩程度约为3%。对制备出的带有晶格应变的Pd纳米颗粒、退火后失去晶格应变的Pd纳米颗粒以及商用Pd/C的ORR性能进行对比,说明压缩的晶格可以提升Pd在酸性和碱性测试条件下催化ORR的能力。(3)通过计算发现,Pd纳米颗粒的压缩应变会削弱所有中间体的吸附,特别是对O*的吸附,因此生成OH*和H2O的能垒显著降低,使其拥有的更好的ORR性能。在0.01 M NaCl条件下制备的Pd纳米颗粒在酸性测试条件下的半波电位为0.78 V(vs.RHE),与Pt电极相当(0.79 V vs.RHE),并展现出比Pt更好的稳定性和甲醇耐受性,并且在碱性测试条件下也展现出良好的催化性能。
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