钯基材料的结构成分调控及其燃料电池阳极电催化研究

• 作 者: 钱晓前
• 出 处: 浙江工业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 燃料电池 钯基催化剂 形貌调控 组分调节 电催化性能

电催化剂是燃料电池中非常重要的部分,其中钯基纳米材料因其优异的催化性能和稳定性被广泛应用到燃料电池中,但是其价格比较昂贵,影响了燃料电池的商业化应用。因此,开发高效低廉的钯基催化剂是目前燃料电池的一个研究热点。本文主要围绕钯基催化剂的结构、形貌和组成的调控,从而提高催化剂的电催化性能并降低催化剂成本。综合软模板法、硬模板法以及液相掺杂技术等方法制备了介孔Pt Pd中空纳米棒和硼掺杂的Pd Cu Au纳米刺组装体,并用于燃料电池阳极电催化甲醇氧化和甲酸氧化的研究。最后,我们总结了燃料电池所需的高性能、低成本和高耐久性的纳米材料催化剂制备方面所面临的挑战,这也是未来燃料电池在商业化应用所面临的关键问题。（1）采用氯钯酸钠、氯化铜和氯金酸为前驱体,F127为表面活性剂和结构导向剂,抗坏血酸为还原剂,通过一步法合成三金属Pd Cu Au纳米刺组装体,然后以硼氢化钠为硼源,在溶剂相中通过原位反应将硼元素掺杂到Pd Cu Au纳米刺组装体中。通过调整反应时间可以容易地控制催化剂中硼的掺杂量,适量的硼掺杂可以有效的增加表面活性中心以及产生较强的电子效应,从而有利于促进甲酸氧化反应。因此,在酸性溶液中,该催化剂的质量活性(1.21 A·mg_Pd^-1)和比活性(2.29 m A·cm^-2)均优于商业Pd B和未掺杂硼的Pd Cu Au纳米刺组装体。这项工作提出了一种非金属硼掺杂金属催化剂的简便合成方法,并强调了硼掺杂能提高电催化剂在燃料电池阳极电催化的性能。（2）采用双模板法合成介孔Pt Pd中空纳米棒（m Pt Pd HNRs）,其中利用二氧化硅纳米棒作为硬模板形成中空结构,采用F127作为软模板引导表面形成介孔结构。该合金催化剂具有发达的介孔结构和中空结构,能提供丰富的催化活性位点和便利反应通道,并能有效抑制催化剂的团聚。这些结构的优势使得该纳米材料在甲醇氧化反应中表现出优异的催化性能,其质量活性(0.71 A·mg_Pt^-1)分别优于介孔Pt中空纳米棒(0.58 A·mg_Pt^-1)和商业Pt/C(0.21 A·mg_Pt^-1)。该方法具有普适性,可以应用到各种介孔Pt基中空催化剂的制备,能极大提高催化剂的性能。