Pt基多元纳米晶的可控制备及其甲醇氧化性能的研究

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直接甲醇燃料电池(DMFCs)由于其结构简单、高能量密度和能量转换效率、低污染物排放或零排放等环保节能的优点,近年来引起了研究者们的广泛关注。其中,Pt是实际应用中使用最广泛的催化剂元素。但是由于Pt自身的稀缺性、高成本以及较弱的抗CO中毒能力,制约了Pt基催化剂在直接甲醇燃料电池中的大规模使用。因此,本文围绕提高DMFC阳极催化剂活性、抗中毒性以及稳定性等方面进行一系列研究。针对以上问题,制备具有枝晶结构的多组分Pt基催化剂是一种有效的解决方法。本文主要采用一步法分别制备了具有六足结构的PtPdCu和枝晶结构的PtCuRh三元合金纳米晶,并对其甲醇氧化(MOR)性能进行研究。本文的主要创新成果如下:(1)采用液相法,在200°C下,以油胺和DMF为还原剂,成功制备了PtPdCu六足合金纳米晶。通过改变Pt前驱体的加入量,调节Pt、Pd、Cu三者的比例,成功制备出Pt2PdCu4、Pt3PdCu4和Pt5PdCu5三种不同组成的三元合金纳米晶。与商用Pt/C相比,三种PtPdCu合金催化剂的MOR催化活性和稳定性都得到了显著的提高。其中,当Pt和Cu的原子比为1:1时(Pt5PdCu5),催化活性最佳。其MOR的质量活性(0.97 mA/μgPt)和面积活性(7.39 mA/cm2)分别为商用Pt/C的5.39和19.45倍。性能提升的原因一方面是由于Pd和Cu等金属的引入所带来的配体和双功能效应,另一方面是由于六足结构本身所具有的丰富的活性位点。(2)采用一步法,在200°C下,以油胺和DMF为还原剂,成功制备了PtCuRh纳米枝晶。与商用Pt/C和PtCu催化剂相比,PtCuRh纳米枝晶的MOR活性和稳定性都获得了较大的提升。其中,PtCuRh合金纳米枝晶的MOR质量活性(1.07mA/μgPt)和面积活性(1.91 mA/cm2)分别为商用Pt/C的7.95和6.29倍。嗜氧和稳定金属Rh的引入,有效缓解了Pt的CO毒化,提升了MOR性能。
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