Pt基三元金属催化剂的可控合成及其析氢反应性能的研究

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在过去的几十年中,随着社会和经济的高速发展,能源和环境问题日益严峻,当前需大力开发环境友好型能源。凭借高能量密度和环境友好的优势,氢气被广泛认为是未来燃料的候选者。电解水分因其简单、低污染和高纯度,被认为是最有希望的制氢方法。当前,单金属Pt催化剂仍是最有效的析氢催化剂,但Pt价格昂贵且资源短缺,严重阻碍了其广泛的应用。目前,Pt基三元金属催化剂能极大地提高Pt的原子利用率和催化性能,已被认为是析氢领域最突出的催化剂。本论文采用简单便捷的方法合成了三种具有特殊结构的Pt基三元金属催化剂。通过一系列表征技术详细地分析了所制备的催化剂的形貌、组成和结构,提出恰当且合理的形成机理,并深入研究了它们的析氢活性和稳定性。具体研究内容如下:(1)花状PtCoRu纳米组装体的合成及其析氢反应性能的研究以紫脲酸铵和十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为共结构导向剂,采用一种简便的方法制备得到花状PtCoRu纳米组装体(PtCoRu NAs)。由于其特殊的纳米结构以及多组分的协同催化作用,所制备的PtCoRu NAs在1 M KOH中显示出优异的析氢反应(HER)电催化性能。在长时间测试过程中,10 mA cm–2的电流密度下的过电位(η)仅有22 mV,同时具有较小的Tafel斜率(46 mV dec–1)和较高的交换电流密度(j0,3.30 mA cm-2)。(2)分级的多枝PtIrCo纳米线的合成及其析氢反应性能的研究以葡萄糖和油胺(OAm)作为共还原剂,CTAC为结构导向剂,在油浴中制备了分级的三维多枝的PtIrCo合金纳米线(PtIrCo MBNWs)。由于三金属的独特结构、三金属之间电子相互作用和协同效应,所制备的PtIrCo MBNWs在1.0 M KOH溶液中表现出优异的HER性能。在10 mA cm–2的电流密度下的η为24.7 mV,Tafel斜率为45.67 mV dec–1,j0为3.20 mA cm-2,超过了商业的Pt/C催化剂的性能。(3)一锅湿化学法合成均一的AuPtPd纳米枝晶及其电催化性能研究以L-脯氨酸和抗坏血酸(AA)分别作为绿色友好型的结构导向剂和还原剂,通过简单而快速的湿化学方法合成了均一的AuPtPd纳米枝状晶体(AuPtPd NDs)。所制备的AuPtPd NDs具有较大的电化学活性表面积(ECSA,27.65 m2 g–1metal),远大于自制的AuPt纳米晶体(NCs,21.76 m2 g–1metal),AuPd NCs(3.91 m2 g–1metal),商业的铂黑(20.88 m2 g–1metal)和钯黑(8.30 m2 g–1metal)。同时,AuPtPd NDs具有优异的析氢和氧还原反应活性。这些结果表明了所获得的催化剂在能量存储和转化中具有实际应用前景。
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