担载型纳米金的制备参数优化及电催化性能探索

纳米尺度的金由于常表现出有趣的尺寸效应和物理化学特性而被大量应用于催化反应中,但是其在电催化反应中的应用却十分有限. 本文以水为溶剂、HAuCl₄为前驱体、十二烷基聚乙二醇醚（Brij 35）等为软模板剂、NaBH₄为还原剂、活性炭或石墨烯为载体,在温和反应条件下获得担载型金纳米电催化剂. 本文考察并优化了关键制备参数和样品纯化方法,最终确定NaBH₄的最佳浓度区间为5 ~ 10mmol•L^-1,Brij 35的最佳浓度约为1 mmol•L^-1,在3 ~ 16 ^oC下金纳米颗粒的尺寸容易控制,石墨烯和活性炭（EC600）是金纳米颗粒的良好载体. 在优化的反应条件下,金纳米颗粒的粒径可以被控制在1 ~ 4 nm. 热处理法可以有效去除表面活性剂,纯化后的担载型纳米金电催化剂在醇类小分子的氧化反应中表现出良好的性能.     

PtRu纳米线的合成及其在直接甲醇燃料电池阳极中的催化活性

 分别以SBA-15和MCM-41介孔分子筛作模板剂,采用浸渍还原法制备了纵横比及合金度不同的双组元PtRu纳米线和纳米棒电催化剂. 透射电镜、 X射线衍射表征和电化学测试结果表明, PtRu纳米线具有较高的合金度和较大的纵横比,在甲醇硫酸溶液中表现出更好的电催化活性. 初步探讨了PtRu纳米线催化剂的合金度和纵横比对其电催化活性和电极性能的影响.     

具有高效析氧催化性能的铁基双元金属有机框架纳米棒研究

析氧反应(OER)是电解水制氢的关键步骤,开发高效、稳定、廉价的OER电催化剂是目前该领域的研究热点.碱性电解液中的OER电催化剂成分以Mn、Fe、Co、Ni等为主,其中单一组分的Fe基化合物催化活性不高,但碱性电解液中的痕量铁杂质极易掺入Ni、Co等非Fe基材料的结构中,极大影响其OER催化性能,即现有大部分非Fe基化合物无法回避Fe的影响.为探究Fe基多金属电催化剂的活性规律,本文以结构清晰、组分可控的Fe基金属有机框架材料为基底,通过掺入Mn、Co、Ni等元素构建双元金属化合物Fe2M-MIL-88B(M=Mn,Co,Ni),并围绕上述Fe基双金属电催化剂的构效关系展开研究.扫描电镜、透射电镜、X射线衍射光谱、红外光谱等表征结果表明,所制备的Fe基双金属材料均为具有MIL-88B构型的纳米棒,其特征三核金属簇Fe₃O中的一个铁原子被第二元金属所替代,从而形成相应的三核混合金属簇Fe₂MO.上述Fe基双金属催化剂的析氧催化活性顺序为:Fe2Ni>Fe₂Co>Fe₂Mn>Fe(0.1 M KOH电解液).其中,Fe₂Ni-MIL-88B电催化剂在10 mA cm^-2析氧电流对应的过电位仅需307 mV,明显低于OER基准电催化剂20 wt%Ir/C(376 mV).结合材料的元素组成、电化学活性比表面积(ECSA)及金属价态分析发现,第二元金属的引入会在不同程度上降低Fe的价态,其中Ni的影响程度最大,Co次之,Mn的影响最小.借助分子轨道理论对上述实验现象进行了解释.处于低自旋态的Ni²⁺与邻近桥氧O^2-之间存在电子排斥作用,因此部分电子将从Ni²⁺经O^2-转移至高自旋态的Fe³⁺,从而在Ni²⁺和Fe³⁺之间形成了较强的电子耦合作用.Co²⁺具有和Ni²⁺相似的构型,但影响稍小.而Mn²⁺和Fe³⁺同为高自旋态,对Fe³⁺的电子结构影响最小,导致活性改善程度最低.密度泛函理论计算得到的自旋态变化情况印证了上述推测.该系列Fe基双金属材料的催化性能主要受金属活性位点的电子结构影响,Fe与邻近金属间形成的电子耦合作用修饰了金属活性位点的电子结构,从而提高了材料的OER本征催化活性.     

Sn（Ⅱ）／Sn（Ⅳ）对PtSn／C乙醇电化学氧化活性的影响

在乙二醇共还原H2PtCl6和SnCl2的过程中加入Ni(NO3)2作为助剂制备了PtSn/C-Ni催化剂. 程序升温还原实验检测到该催化剂中存在Sn(Ⅱ)/Sn(Ⅳ)氧化还原电对. 线性扫描、单电池性能测试和CO溶出实验表明,提高催化剂中Sn(Ⅱ)/Sn(Ⅳ)的比值能显著提高催化剂的乙醇电化学氧化活性和抗CO中毒能力. 催化剂电催化活性提高的原因可能是Sn(Ⅱ)/Sn(Ⅳ)电对加快了(OH)ads 物种在催化剂中的传递速率,促进了乙醇电化学氧化过程中产生的类CO中间物种在Pt表面的氧化.     

直接甲醇燃料电池阴极Pt／C催化剂的制备与表征制备及处理方法的影响

 对比研究了用三种液相沉积还原法制备的20％Pt／C催化剂及在900℃下用H2还原处理的催化剂，并用XRD和TEM等技术表征了催化剂的粒子大小及粒径分布．结果表明，用乙二醇还原法制备的Pt／C催化剂的平均粒径最小（约2．4nm），且分布均匀．应用旋转圆盘电极（RDE ）法和直接甲醇燃料电池单池评价了Pt／C催化剂的氧还原反应（ORR）活性，探索了单池性能与催化剂粒径大小的关系．RDE测试结果表明，用甲醛还原法制备的Pt／C催化剂具有最高的ORR活性；而单池测试结果表明，用乙二醇还原法制备的Pt／C催化剂显示出最高的ORR活性和最优的单池性能．这可能是因为直接甲醇燃料电池中所需Pt／C催化剂最优粒径更小的缘故．另外，研究了Cl－对Pt／C催化剂ORR活性的影响．结果表明，少量Cl－即会显著降低Pt／C催化剂的ORR活性．     

球形分枝结构Pt纳米催化剂的合成、纯化及电催化性能

以非离子型表面活性剂Brij-35为稳定剂,以水为溶剂,在常温、常压条件下利用抗坏血酸还原K2PtCl4制备了Pt纳米催化剂,采用透射电子显微镜、能量弥散X射线谱、X射线粉末衍射、热重及循环伏安扫描对催化剂进行了表征.结果表明,所制Pt纳米催化剂为尺寸均一的球形分枝结构,平均粒径为36.9nm,其中每一个Pt分枝的直径为2～4nm,长度为4～6nm.为去除表面活性剂Brij-35和副产物,开发了一种简单的多次水洗法以纯化所制Pt纳米催化剂.表征结果证明,该法可有效去除表面活性剂和副产物,所得催化剂纯度与商业Pt黑(99.9%)相当,且电化学活性比表面积更高,在氧还原反应和甲醇氧化反应中表现出更高的电催化活性.