负载型金属纳米催化剂的电催化反应活性性能研究

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电化学催化剂是电催化反应的核心,高效的电催化剂可以有效地降低电催化反应的活化能,提高其催化活性。对电催化剂的优化设计,以温和的条件设计出高效、低成本的电化学催化剂一直是电催化领域研究的重点,长时间以来研究者们都致力于选用合适的材料设计出高效可行的电催化剂。将非均相金属纳米粒子负载到合适的载体上时,金属纳米粒子与载体间的相互作用会影响其催化活性,使其表现出与金属本体不同的性质,这种现象称之为“载体效应”。载体效应对催化剂的催化活性会产生极大影响。本文中,基于载体效应对负载型金属纳米催化剂的影响及不同载体与金属纳米粒子间的电荷转移对其催化活性的影响两个方面进行了研究,具体如下:(1)Mo S2载体对Pd纳米粒子催化性能调控的研究较为常见的负载型金属纳米粒子催化剂的载体是半导体材料,它们可以通过两者界面上的金属-载体电子相互作用(electronic metal–support interaction,简称“EMSI”)来使金属纳米粒子表面的电子密度发生改变。本部分实验中设计了半导体二硫化钼Mo S2负载的Pd纳米粒子催化剂(Pd-Mo S2),利用金属-载体电子相互作用(EMSI)调节金属粒子能级,然后以氢气析出反应(HER)作为研究对象,研究了半导体Mo S2载体对其负载的Pd纳米粒子催化剂催化活性的影响。实验结果证明,相较于片层状二硫化钼(ce-Mo S2)和商业化的Pd/C,Pd-Mo S2复合材料显示出优异的HER催化活性,这表明Mo S2载体的加入可以有效调控Pd纳米粒子催化剂的催化活性。(2)Pd纳米粒子能级调控及其对甲酸电催化氧化性能研究该部分运用“载体效应”来调控Pd纳米粒子催化剂的甲酸氧化反应(formic acid oxidation reaction)催化活性。设计制备了4种不同氧化物负载的Pd纳米粒子催化剂用来催化甲酸氧化,通过XPS及CO溶出伏安法比较了4种催化剂载体与Pd纳米粒子间的电子转移,再结合它们的甲酸氧化活性,发现Pd纳米粒子与载体间的电子转移量与其甲酸催化活性呈正相关,也就是说当Pd纳米粒子表面电子密度越低时,它的甲酸氧化催化活性更高。由此从电子层面证明了载体效应对催化剂催化活性的影响。
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