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氢能的利用有望解决化石燃料导致的环境污染问题以及其储量降低带来的能源危机。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效利用氢能将可再生化学能转化为电能的装置,受到了广泛的关注和研究。Pt催化剂通常用作PEMFC的阴极催化剂,然而它的高成本和低耐久性限制PEMFC的性能,因此开发高效耐用的ORR电催化剂是提高PEMFC大规模商业化的关键。虽然PtM(M为过渡金属)合金催化剂可以有效地提高ORR活性,但是过渡金属在苛刻的酸性环境中溶解是不可避免的问题,从而导致PEMFC的性能下降。催化剂的结构有序化和掺杂第三种原子可以有效地提高催化剂的活性和稳定性。基于以上背景,本文设计了 Pt基三金属催化剂来提高催化剂的ORR性能和稳定性,主要研究内容如下:1.采用浸渍还原法制备了有序的PtCuNi/C纳米粒子(NPs)。通过调节退火温度和金属比例,探究制备PtCuNi/C有序结构的最佳条件。在有序PtCu/C中掺入Ni可以有效地调节Pt的电子结构,从而优化ORR的氧结合能。通过电化学测试,探究催化剂结构和催化活性之间的关系。结果表明,与无序结构PtCuNi/C催化剂相比,有序结构PtCuNi/C催化剂的ORR活性更优越。与有序PtCu/C催化剂和JM Pt/C相比,有序结构PtCuNi/C催化剂显著提高了 ORR活性和耐久性。优异的活性和耐久性归因于Pt、Cu、Ni之间的协同作用和配体效应。PtCu0.5Ni0.5/C-700在0.9 V vs.RHE(可逆氢电极)下的质量活性为1.29 A mg-1Pt,是商业Pt/C的9.2倍。在单电池系统中,PtCu0.5Ni0.5/C-700作为催化剂可表现出461 mW cm-2的功率密度。这项研究为制备具有良好电催化活性和耐久性的燃料电池催化剂提供了一种新的设计策略,为后续三元有序催化剂系统的开发奠定了基础。2.利用水热反应,通过两步法制备具有八面体形貌的Mo掺杂的PtCu催化剂(Mo-PtCu/C)。通过调节Mo的投放量,制备出不同比例的Mox-PtCu(x=0.01,0.02,0.03)催化剂。旋转圆盘测试表明,与八面体形貌的PtCu/C催化剂和JM Pt/C相比,Mo的掺入所引起的配体效应和协同效应显著提高了催化活性。其中,Mo0.02-PtCu/C催化剂质量活性达1.61 A mg-1Pt,是JM Pt/C的11.5倍,极大提高了 ORR的速率。耐久性测试表明,在10,000圈伏安循环后,半波电位仅负移6 mV,表现出优异的耐久性。原因在于少量的Mo掺入PtCu纳米颗粒表面可有效防止Pt原子和Cu原子纳米颗粒在酸性环境中溶解,从而提高Mo-PtCu/C催化剂的耐久性。3.采用浸渍法制备结构有序的O-PtCu/C催化剂。利用Au对O-PtCu/C催化剂进行表面调控,制备出Au-O-PtCu/C催化剂。Au的掺杂不影响O-PtCu/C的晶型。RDE测试表明,Au-O-PtCu/C的催化活性高于O-PtCu/C催化剂,质量活性达0.83 A mg-1Pt,是JM Pt/C的5.92倍。活性增强的原因是Au、PtCu之间的协同效应和结构有序的优越性。