电沉积制备的PtNi纳米粒子用于氧还原反应:成核和生长机理

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆中阴极Pt基催化剂的高用量造成其成本居高不下,成为阻碍燃料电池汽车商业化推进的重要原因,因此开发低Pt、高活性的Pt基催化剂势在必行.Pt合金催化剂能够有效地降低Pt用量,并通过对合金颗粒的元素比例、晶面、粒径等实行精确调控,显著提升氧还原(ORR)催化活性.然而,目前常用的制备方法由于原料与制备成本高昂、过程复杂大都难以适应规模化生产需求.电化学方法通过控制施加的电流或电位控制晶体生长.在水体系中该方法已得到验证,但由于Pt化合物的热力学标准电极电位与过渡金属元素之间相差较大,且对于过渡金属来说,电负性大多小于铂,因此还原电位通常负于析氢电位,使得二者难以实现共沉积.有机体系中电位窗口比水体系大得多,Pt与电位较负的过渡金属可实现共沉积,采用小分子有机溶剂也可避免溶剂清洗问题,具有应用潜力.本文提出了一种简单的一步电沉积方法,选择易溶于水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,将碳载体滴涂到玻碳电极上作为工作电极,通过电化学方法直接将Pt-Ni合金沉积到碳载体上,并利用物化表征与密度泛函理论(DFT)理论计算来探究共沉积机理.透射电镜表征结果表明,在不同的沉积电位下均可得到分散均匀、粒径适当的催化剂;且随着电位值降低,催化剂颗粒分散得更均匀,颗粒粒径不断减小.元素分布和晶面结果表明,铂镍元素均匀分布于颗粒中.所有样品均表现出优异的ORR性能,最高的面积比活性达到商业催化剂的6.85倍.将材料表征、电化学表征与DFT计算结合,建立起了铂镍合金生长过程的模型,并发现了有机体系中独特的成核-生长机理.将体系中的DMF换成超纯水,用同样的方法进行沉积,得到的催化剂颗粒团聚严重,说明DMF的使用能够避免颗粒团聚.在单独铂的体系中沉积发现,负载量极小,表明体系中镍前驱体的添加对于催化剂的沉积过程起到重要作用.电化学表征结果表明,在所选用的DMF有机体系中,镍的还原电位与铂的十分接近,但还原动力学更慢,趋向于先形成吸附原子后快速还原.由此可以推测,在二者合金的形成过程中,镍在碳载体表面的缓慢还原而形成的吸附原子能够成为铂还原的活性位点,从而降低了铂还原成核所需的能量,使得载体上的成核位点大大增加,这与DFT模拟结果一致.DFT建立了碳上镍的位点和铂的位点,分别在上面进行铂的还原,发现镍位点上比铂位点上更容易实现铂沉积.本文提出了铂镍共沉积的机理:在过电位(即还原能量)下,铂的还原动力学较镍稍快,于是铂先还原形成晶核,但难以达到生长的临界半径,于是单独铂体系中的沉积负载量很少.载体上还原的镍为铂还原提供了大量的活性位点,促进了铂还原,并与镍共沉积.Pt-Ni表面则进一步促进了铂的沉积和颗粒的生长.综上,本文提出了一种用于制备铂合金催化剂的有机电沉积体系,实现了单分散的碳载铂镍合金催化剂的一步制备.随后,本文将材料表征、电化学表征与DFT计算相结合,建立起了有机体系中铂镍合金成核-生长过程的机理模型.     

脉冲电沉积Pd-Ni合金纳米颗粒及其甲酸电催化氧化

采用方波脉冲方法,在钯镍合金电解液中成功地电化学沉积出镍原子含量分别为12.0%、16.4%和22.6%的钯镍合金纳米颗粒. 钯镍合金纳米颗粒为球状,粒径50 ~ 80 nm. 随钯镍合金生长电位负移,合金的镍含量提高,其纳米颗粒大小基本相似但纳米颗粒数目增多,交联度提高和真实活性面积增大. 钯镍合金纳米颗粒镍含量提高,在硫酸溶液中其氢弱吸附峰电流增大. 钯镍合金纳米颗粒电极的甲酸电催化氧化活性较好,随合金纳米颗粒的镍含量提高和交联度增加,合金纳米颗粒电极的甲酸电催化氧化稳定性更高.     

脉冲电沉积钯镍合金纳米颗粒及其甲酸电催化氧化

采用方波脉冲方法,在钯镍合金电解液中成功地电化学沉积出镍原子含量分别为12.0%、16.4%和22.6%的钯镍合金纳米颗粒.钯镍合金纳米颗粒为球状,粒径50~80 nm.随钯镍合金生长电位负移,合金的镍含量提高,其纳米颗粒大小基本相似但纳米颗粒数目增多,交联度提高和真实活性面积增大.钯镍合金纳米颗粒镍含量提高,在硫酸溶液中其氢弱吸附峰电流增大.钯镍合金纳米颗粒电极的甲酸电催化氧化活性较好,随合金纳米颗粒的镍含量提高和交联度增加,合金纳米颗粒电极的甲酸电催化氧化稳定性更高.     

CMK-5负载Pt-Ni合金催化剂及其甲醇电化学氧化性能

采用NaBH₄还原法将不同原子比的铂镍负载于CMK-5(由SBA-15模板所得的碳载体)表面. X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明, 所得催化剂是以铂镍合金的形式存在, 相对于Pt/CMK-5而言, 这种合金化的催化剂中Pt表现出更多的金属态. 电化学测试结果显示, 在催化剂中主要以化合态存在的镍(包括NiO、Ni(OH)₂和NiOOH)可能更有利于甲醇的吸附和氧化产物从催化剂表面的脱附. 另外, 从循环伏安测试结果可知, Pt-Ni/CMK-5 (5:1)(原子比)具有较大的比表面活性, 其电化学活性面积高达63.9 m²·g^-1, 且与Pt/CMK-5相比抗CO中毒能力有明显改善.     

分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-Ni HSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H2SO4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H2SO4的诱导下,Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-Ni HSNs,并通过TEM,XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-Ni HSNs已经形成合金结构.在酸性条件下,Pt-Ni HSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt–1,是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中,Pt-Ni HSNs的质量活性仅仅损失了21.6％,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明,Pt-Ni HSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中,Pt-Ni HSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1)Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-Ni HSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H2SO4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H2SO4的诱导下,Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-Ni HSNs,并通过TEM,XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-Ni HSNs已经形成合金结构.在酸性条件下,Pt-Ni HSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt–1,是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中,Pt-Ni HSNs的质量活性仅仅损失了21.6％,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明,Pt-Ni HSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中,Pt-Ni HSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1)Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

原子层沉积制备掺氮碳膜修饰的 Pt/CNTs 实现甲醇高效电催化氧化

甲醇燃料电池作为一种清洁、高效的能源转化形式广受关注. 贵金属 Pt 是甲醇燃料电池阳极催化剂不可缺少的活性组分, 但 Pt 价格昂贵, 易与 CO 等中间体强相互作用而中毒失活, 从而限制了甲醇燃料电池的广泛应用. 因此, 如何提高Pt 的利用率成为一个关键问题. 研究表明, 在碳材料载体中掺杂氮元素, 改变了载体本身的表面结构和电子性质, 有利于Pt 颗粒的成核和生长, 可获得尺寸小、分布均匀的 Pt 纳米颗粒, 能显著提升催化反应活性和 Pt 利用率. 然而, 传统的氮掺杂方法需要在高温、高压及氨气条件下进行, 增加了催化剂制备难度和成本.原子层沉积技术是逐层超薄沉积技术, 能够在原子级别精确控制膜的厚度, 既可制备尺度均一、高度可控的纳米粒子,也能实现材料表面的可控超薄修饰. 本课题组利用原子层沉积技术优势, 首先在碳纳米管表面沉积了直径 2 nm 左右的 Pt纳米颗粒, 然后在 Pt 纳米颗粒外表面超薄修饰聚酰亚胺膜, 通过后处理得到多孔掺氮碳膜修饰的 Pt/CNTs 催化剂. 碳膜的厚度可简单通过调控聚酰亚胺膜的沉积厚度来控制. 结果表明, 适当厚度的碳膜修饰 Pt/CNTs 催化剂可显著提升其甲醇电氧化性能, 电流密度可达商业 20% Pt/C 的 2.7 倍, 催化剂稳定性也显著改善. 然而碳膜修饰过厚会导致催化剂活性降低.通过计算催化剂电化学活性表面积发现, 超薄修饰碳膜后催化剂活性表面积有所降低, 这是由于碳膜的覆盖导致表面 Pt原子数减少. 修饰前后催化剂颗粒尺度变化不大, 推测催化剂活性的提高与形成了有利于催化反应的 Pt-碳膜界面有关.然而, 当碳膜修饰层过厚时, 会导致反应物分子难以扩散到 Pt 颗粒表面, 使催化剂活性降低. 预吸附单层 CO 溶出实验结果表明, 多孔掺氮碳膜超薄修饰 Pt/CNTs 催化剂后, CO 氧化峰的起始电位和峰值电位都向低电位处偏移, 这表明 Pt 表面吸附的 CO 在较低电位下即可被氧化, CO 更容易从 Pt 表面移除, 从而提高了催化剂的抗 CO 毒化能力. X 射线光电子能谱实验结果进一步表明, 经多孔掺氮碳膜修饰后, Pt 的 4f 电子向高结合能处偏移, 表明 Pt 原子周围的电子密度减小, 从而弱化了 Pt 对 CO 吸附的σ-π键反馈作用, 即减弱了 Pt 原子对 CO 的吸附, 这是导致掺氮碳膜修饰后催化剂活性及稳定性都大幅提高的原因.     

铂基Pb-Sb表面合金电催化剂的制备与结构表征

通过电化学方法,在玻碳载体表面制备以Pt、Pb、Sb为主要成分的铂基Pb Sb表面合金电催化剂.运用电化学循环伏安、石英晶体微天平（EQCM）和扫描隧道显微镜（STM）技术对催化剂电极进行表征.结果表明：酸性溶液中在所制备的表面合金电极上,析氢起始电位负移至－0.45 V,表面合金的起始氧化电位为0.15 V,其稳定性明显高于电催化还原中常用的铅、锑等金属电极.通过EQCM研究表面合金电极的形成过程,结合STM观察和XPS深度剖析,确定电催化剂表面是由粒度均匀的纳米颗粒构成的表面合金层.     

二甲基甲酰胺中钬镍合金的电沉积

研究了在二甲基甲酰胺(DMF)体系中钬的电还原及钬与镍的电解共沉积.结果表明,由 于微量水在电极上还原形成不溶的导电性差的膜层,使钬单独沉积很困难.恒电位电解用于 制备钬镍合金, EDAX,SEM和XRD用于分析镀层,得到了黑色粘附性好的非晶态钬镍合金镀层 ,钬的含量可高达72.7％.     

Pt基合金氧还原催化剂设计的密度泛函理论计算研究

本文提出以合金形成能、Pt表面偏析能和氧原子吸附能作为依据筛选具有高活性和高稳定性的表面富Pt氧还原合金催化剂. 利用DFT计算对Pt与各种过渡金属形成的合金的热力学、表面化学和电子性质进行了系统研究,在此基础上预测Pt-V,Pt-Fe,Pt-Co,Pt-Ni,Pt-Cu,Pt-Zn,Pt-Mo,Pt-W等合金可能具有好的氧还原催化活性和稳定性. 所预期的大部分催化剂已有文献研究结果支持. 另外,Pt-Zn和Pt-Mo体系目前报道尚不多,值得进一步的细致研究.     

A new simple preparation of platinum-nickel alloy nanoparticles and their characterization as an electrocatalyst for methanol oxidation

Pt-Ni alloy nanoparticles were produced by casting 2 or 10 mM H₂PtCl₆ solutions on a Ni column. The apparent particle size for the resultant Pt-Ni alloys increased with the concentration of the H₂PtCl₆ solution, while the content of Pt in the alloy decreased. The potential sweeps of 5 cycles in an H₂SO₄ aqueous solution for Pt-Ni (2 mM)/Ni and Pt-Ni (10 mM)/Ni electrodes led to electrochemical behavior similar to a polycrystalline Pt electrode, suggesting the formation of a few thin Pt layers on each Pt-Ni alloy surface. In electrochemical measurements, both Pt-Ni/Ni electrodes showed more negative onset potential of methanol oxidation and slower degradation of oxidation current of methanol than the polycrystalline Pt electrode. X-ray photoelectron spectroscopy of both Pt-Ni/Ni electrodes showed the shift of Pt4f peaks to a higher binding energy, suggesting that the increase in the d vacancy in the balance band 5d orbital of Pt contributed to the improved electrocatalytic activity and durability of the Pt-Ni/Ni electrodes.     

Oxygen reduction activity of carbon-supported Pt-M (M = V, Ni, Cr, Co, and Fe) alloys prepared by nanocapsule method

Monodispersed Pt and Pt-M (M = V, Cr, Fe, Co, and Ni) alloy nanoparticles supported on carbon black (denoted as Pt/CB and Pt-M/CB) were prepared by the simultaneous reduction of platinum acetylacetonate and the second metal acetylacetonate within nanocapsules formed in diphenyl ether in the presence of carbon black. For the Pt/CBs, the average Pt diameters measured by scanning transmission electron microscopy (STEM) or X-ray diffraction (XRD) ranged from 2.0 to 2.5 nm, regardless of the catalyst-loading level from 10 to 55 wt % on CB. The alloy composition was found to be well-controlled to the projected value among the supported particles. The activities for the oxygen reduction reaction (ORR) at Nafion-coated catalysts in O2-saturated 0.1 M HClO4 solution were evaluated by using a channel flow electrode (CFE) cell at 30 degrees C. The area-specific ORR activities at Pt-M/CB were found to be 1.3 to 1.8 times higher than that at Pt/CB. The ORR activity increased in the order Pt/CB < Pt-Ni/CB < Pt-Fe/CB < Pt-Co/CB < Pt-V/CB < Pt-Cr/CB.     

活性炭负载Pt-Ni双金属催化剂上甘油水溶液原位加氢反应性能

采用KBH4液相还原法制备了系列活性炭(AC)负载的Pt-M(M=Fe,Ni,Co,Zn,Cu)双金属催化剂,考察了该系列催化剂对甘油水溶液原位加氢制备1,2-丙二醇反应的催化性能.结果表明,当Pt负载量(质量分数)为2.0%,Pt/Ni质量比为1∶1时,在220℃和1.0 MPa氮气压力下反应8 h,2%Pt-2%Ni/AC催化剂上甘油转化率和1,2-丙二醇选择性分别达到98.7%和60.5%;且在5次重复使用过程中,催化剂保持较高的稳定性.采用氮气物理吸附-脱附实验、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)及X射线光电子能谱(XPS)等对催化剂的结构和形貌进行了表征.结果表明,粒径约为2 nm的纳米颗粒在活性炭载体上均匀分散,纳米粒子中金属多以还原态形式存在,Ni原子进入Pt晶格中形成的Pt-Ni物种使Pt与Ni之间表现出强相互作用力.通过比较Pt/AC,Ni/AC与Pt-Ni/AC双金属催化剂的催化性能,推断Pt能够促进甘油水溶液重整而Ni有利于氢解反应,Pt-Ni金属间协同作用是Pt-Ni/AC催化剂对甘油原位加氢反应具有优良催化性能的重要原因.     

Effect of de-alloying of Pt–Ni bimetallic nanoparticles on the oxygen reduction reaction

Carbon-supported Pt–Ni alloy nanoparticles with various compositions were prepared by a borohydride reduction method in anhydrous ethanol solvent. Here, we surveyed effect of thermally induced de-alloying on activity of the oxygen reduction reaction (ORR). Especially, changes in surface and bulk structures were investigated through electrochemical and spectroscopic measurements. The activity of as-prepared Pt–Ni alloy nanoparticles showed a monotonous dependence on Pt content. However, heat-treatment induced the phase separation between Pt and NiO and the resultant enhancement in ORR activity without significant increase in surface Pt concentration.     

碳载Pt-Ni催化剂对直接甲醇燃料电池阴极氧电还原性能的影响

采用间歇式微波法制备了不同Pt、Ni原子比的碳载Pt-Ni催化剂。XRD结果表明,用这种方法制备的催化剂分散得比较好,具有较小的平均粒径,其中Pt-Ni/C(3∶1)催化剂的粒径最小。在旋转圆盘电极上进行氧的还原测试结果表明,当电解质溶液中没有甲醇和有甲醇存在时,Pt-Ni/C(3∶1)催化剂对氧的催化还原活性都很高,说明Pt-Ni/C(3∶1)催化剂对氧的催化还原受甲醇的影响较小。     

Monte Carlo simulations of segregation in Pt-Ni catalyst nanoparticles

We have investigated the segregation of Pt atoms in the surfaces of Pt-Ni nanoparticles, using modified embedded atom method potentials and the Monte Carlo method. The nanoparticles are constructed with disordered fcc configurations at two fixed overall concentrations (50 at. % Pt and 75 at. % Pt). We use octahedral and cubo-octahedral nanoparticles terminated by {111} and {100} facets to examine the extent of the Pt segregation to the nanoparticle surfaces at T=600 K. The model particles contain between 586 and 4033 atoms (particle size ranging from 2.5 to 5 nm). Our results imply that a complete {100}-facet reconstruction could make the cubo-octahendral Pt-Ni nanoparticles most energetically favorable. We predict that at 600 K due to segregation the equilibrium cubo-octahedral Pt50Ni50 nanoparticles with fewer than 1289 atoms and Pt75Ni25 nanoparticles with fewer than 4033 atoms would achieve a surface-sandwich structure, in which the Pt atoms are enriched in the outermost and third atomic shells while the Ni atoms are enriched in the second atomic shell. We also find that, due to an order-disorder transition, the Pt50Ni50 cubo-octahedral nanoparticles containing more than 2406 atoms would form a core-shell structure with a Pt-enriched surface and a Pt-deficient homogenous core.