论文部分内容阅读
当前,在社会和经济发展高度依赖于能源供应的时代背景下,环境污染日益严重不可再生能源日渐匮乏,人们对能源需求量与日俱增,然而现实却是能源存在前所未有的缺口,成为21世纪人类发展的羁绊。因此,研发出一种高效安全、绿色无污染的可再生能源便成为社会、经济可持续发展的动力源。质子膜交换电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFCs）以其环境友好和作为高效能源转换装置而受到广泛关注。目前,PEMFCs的电极催化剂主要采用Pt基材料为主,然而Pt在地球上的储量稀少、价格昂贵,故而在很大程度上阻碍了PEMFCs的商业化进程。因此,在保证催化剂的高活性的同时必须要注重其制作成本方能使PEMFCs得以广泛的推广和应用。本课题主要是通过形貌调控和表面修饰的方法,成功制备出一系列具有不同Pt厚度的三明治状Co@Pt/C催化剂以及在空心多孔VN上负载Pt纳米颗粒复合材料,并结合现有的测试手段对所制备出的材料进行成分、形貌以及电化学性能的测定。对电化学性能的分析结果显示,三明治状Co@Pt/C核壳催化剂只有在适宜的Pt厚度条件才能展现出良好的氧还原性能以及在酸性电解液中具有良好的抗腐蚀性。同样,空心多孔VN上负载Pt纳米颗粒复合材料也展现出比单纯VN更加优异的电催化性能,由于负载的Pt纳米颗粒与支撑物质空心多孔的VN间具有相互作用。本课题具体研究内容如下:1、首先,通过两次水热反应分别制备出前驱体与清洁碳源葡萄糖聚合而成的中间产物。然后对聚合物包覆的中间产物进行高温煅烧处理,制备出具有碳膜包覆的三明治状的金属Co纳米颗粒。最后将三明治状金属Co纳米颗粒与适宜浓度的H2PtCl6溶液进行金属置换反应,Pt原子通过外延生长的方式沉积在Co纳米颗粒的表面,从而成功制备出具有一系列不同厚度的Pt的Co@Pt核壳结构催化剂。通过对高角度环形暗场扫描透射电子显微镜数据以及X射线衍射数据的分析,我们发现三明治状Co@Pt/C核壳催化剂外层Pt壳的晶格间距与标准卡片所对应的晶格间距相比变小了。同时,X射线光电子能谱数据中Pt 4f的结合能发生了正偏移,出现上述两种结果的原因是内层Co核对外层Pt形成了压缩应变。由此,有助于三明治状Co@Pt/C核壳催化剂氧还原反应的催化活性以及稳定性的提升。2、通过水热法,先制备出二维Zn3（OH）2（V2O7）（H2O）2纳米片,再通过在NH3和Ar气气体比为3:1的气氛中煅烧,制备出了空心多孔的VN基底材料。再以VN和H2PtCl6溶液进行搅拌混合均匀后,加入新配置的NaBH4溶液将Pt4+离子还原成Pt纳米颗粒,最终制备出Pt/H-VN复合材料。对其在高角度环形暗场扫描透射电子显微镜中进行表征,我们能清晰地观察到VN为多孔空心结构,并承载着Pt纳米颗粒。由于VN具有空心多孔的结构特点,能够提供较大的活性表面积以及VN本身具有类Pt性质,对氧还原反应具有一定的催化作用,与Pt纳米颗粒形成共催化效应,因此Pt纳米颗粒负载于VN催化剂展现出优异的氧还原催化活性以及结构稳定性。本实验着力于减少Pt贵金属的用量,降低制备成本的同时提升氧还原反应的催化活性及稳定性。