PtPdCu多元合金催化剂的制备及其甲醇氧化反应性能研究

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直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种能把甲醇燃料中的化学能直接转化为电能的装置,燃料电池不需要经过燃烧,不受卡诺循环限制,具有工作效率高、启动快、环境友好、携带方便等优点。阳极催化剂作为DMFC的关键组分主要为铂基材料,因其高昂的价格、制备流程复杂和易受甲醇氧化反应中间体毒化而严重制约了DMFC的商业化应用。通过对催化剂的形貌结构、尺寸大小和元素组成进行可控调整能够显著提升催化剂的催化活性和稳定性。由此,本文针对不同组分的特性,探索合适的反应条件,制备了三元PtPdCu纳米粒子和四元PtPdCu Te纳米线,并对其形貌结构和电化学性能进行表征。所取得的具体研究成果如下:(1)采用湿化学还原法,在室温下一步制备了PtPdCu纳米粒子,与商业Pt/C催化剂相比,具有较高的催化活性和稳定性。其质量活性为1247.1 m A·mgPt-1,是商业Pt/C(198.5 m A·mgPt-1)的6.28倍;在经过800圈CV循环后,PtPdCu NPs的活性仅衰减了49%,远低于商业Pt/C催化剂500圈CV循环62%的质量活性衰减。主要因为在纳米粒子表面存在着大量位错和孪晶界,暴露了更多的活性位点;Pd原子的引入,可以促进水的解离并产生Pd-OHads,与Pt-COads反应,从而去除Pt表面上吸附的COads,释放Pt的活性位点;Cu的引入,降低了贵金属的含量,还可以通过向Pt转移电子,削弱Pt-COads键,提升PtPdCu NPs的催化活性和抗CO中毒能力。(2)采用碲纳米线牺牲模板和N,N-二甲基甲酰胺辅助还原的方法制备了PtPdCuTe纳米线。探究了不同Pt原子含量和不同Cu原子含量的PtPdCu Te纳米线对甲醇氧化反应活性的影响,筛选出了具有高质量活性和稳定性的Pt38Pd25Cu7Te30纳米线。其质量活性是商业Pt/C的7.83倍;在经过500圈CV循环后,Pt38Pd25Cu7Te30纳米线的活性仅衰减了48%,远低于商业Pt/C催化剂62%的质量活性衰减。其高催化活性和稳定性,除了Pd和Cu原子的影响,还得益于其一维结构提供了更多的催化反应活性位点,以及Te原子在甲醇氧化反应期间,替代了贵金属的蚀刻。
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