采用解离的氢原子作为还原剂制备高氧还原电催化性能的Pd核@Pt壳纳米结构

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁、高效的能源转化装置,已经备受学术界与产业界的关注.然而,高活性、高稳定性与低成本的铂基阴极氧还原(ORR)电催化剂的缺乏,严重限制PEMFC的大规模商业化应用.为提高贵金属铂的电催化性能,核壳纳米结构的研究受到广范关注.然而,核壳纳米结构的制备过程通常需要采用有机前驱体、表面活性剂与较高的反应温度,导致大多核壳结构制备方法的大规模应用受到限制.我们在室温下无表面活性剂与高沸点溶剂的参与下,通过钯表面吸附的解离的氢原子来还原K2PtCl4,得到Pd核@Pt壳纳米结构.通过改变加入K2PtCl4的量,可以成功控制壳的厚度;通过透射电子显微镜(TEM)观察得知,我们制备了铂壳厚度分别为0.45,0.75,0.9 nm的核壳结构.Pd核@Pt壳纳米结构的良好的纳米晶体结构与外延生长模式,通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)与能量色散谱仪(EDS)得到证实.同时,所制备Pd核@Pt壳样品的核壳结构通过高角环形暗场-扫描透射-元素分布(HAADF-STEM-EDX)表征方法,得到证实.X射线粉末衍射(XRD)表征证实,样品Pd核@Pt壳并无单独的Pd或Pt衍射峰出现,而是表现出良好的同种晶相结构;相对于单质Pt,样品中Pd核的存在导致Pd核@Pt壳核壳结构表现出一定程度的晶格紧缩.X射线光电子能谱(XPS)表明,钯核的存在导致铂壳的电子结合能增大,并且当铂壳厚度增大到一定程度后,核壳结构引起的电子效应维持不变.通过XPS分峰拟合可知,Pd核@Pt壳结构中零价态的铂含量均在80%以上,并且零价态的铂含量随着铂壳层厚度的增大而增大.采用电感耦合等离子体(ICP)与XPS,发现铂的表面富集现象,并且铂表面富集现象随着铂壳层厚度的增大而增大.在半电池中,经过循环伏安扫描活化,Pd核@Pt壳表现出明显的铂的氢吸附与脱附特征峰,再次证明了铂壳层的成功包覆.Pd核@Pt壳纳米颗粒表现出优于Pt/C(JM)的面积比活性、质量比活性及电化学稳定性.核壳结构的良好的ORR电催化性能,来源于催化剂表面含氧物种吸附强度的减弱;上述现象归因于钯核与铂壳之间的电子效应与晶格应力效应.此处简易、清洁的核壳结构制备方法也可以用来在温和条件下制备Ni核@Pt壳等核壳结构.     

原子级壳层厚度Ru@Pt核壳结构纳米粒子的制备与表征

采用连续多元醇法,以RuCl₃·xH₂O和PtCl₂为前驱体,乙二醇为还原剂,聚乙烯吡咯烷酮为稳定剂的反应体系,并通过调节PtCl₂用量和还原温度成功制备了壳层厚度约为1.5个Pt原子层的单分散Ru@Pt核壳结构纳米粒子,利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)等分析方法对其微观结构、粒径分布、晶型结构、物相组成进行了表征。 结果表明,该纳米粒子分布均匀且基本为球形,平均粒径约为3.57 nm,其中内核直径约为2.49 nm,外壳厚度约为0.55 nm,壳层金属Pt具有很好的晶型,Pt原子主要为{111}晶面,内核金属Ru与外壳金属Pt互相产生了电子效应使Pt的衍射峰和Ru、Pt的电子结合能产生了一定偏移,并初步研究了有效控制该核壳结构纳米粒子壳层厚度和增强核与壳两种金属之间电子效应的因素,使其有望在催化等领域发挥潜在的应用价值。     

钯铂核壳纳米催化剂颗粒中的原子扩散（英文）

铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材料表面,钯@铂核壳催化剂的催化稳定性及原子扩散的途径需要更深入的研究.本文探究了热处理条件对钯@铂核壳结构稳定性的破坏,并确定了原子扩散对催化活性的影响.原位扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)证明了在250 oC的氩气氛围中,钯@铂纳米颗粒中原本清晰可见的1–2原子铂壳层已经消失,并伴随着颗粒表面钯铂合金化的形成.因钯金属可以吸收氢气而导致晶格间距的展宽,钯@铂核壳结构的破坏也可以通过氢气氛围中的原位X射线衍射谱中(111)衍射峰的展宽和位移进行判断.对钯@铂核壳纳米催化剂进行一系列温度的热处理结果显示,核壳结构的破坏在200 oC左右开始,并于200–300 oC之间急剧发生.一氧化碳电化学氧化脱附实验表明,热处理之后的核壳催化剂表面的一氧化碳氧化峰位置发生了明显的正移,也证明了热处理之后催化剂表面电子结构的变化.核壳结构改变对催化活性的影响也通过旋转圆盘电极进行了测量.相比于未经处理的样品, 200 oC处理之后的钯@铂核壳催化剂在0.9 V电位处的质量活性损失了约37%.进一步提高热处理温度至300 oC之后,钯@铂核壳催化剂的质量活性只有初始状态的44%.本文揭示核壳结构中因热处理而导致的原子扩散现象,并为燃料电池中核壳催化剂的应用及膜电极的制备工艺条件提供了参考.     

钯铂核壳纳米催化剂颗粒中的原子扩散

铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材料表面,钯@铂核壳催化剂的催化稳定性及原子扩散的途径需要更深入的研究.本文探究了热处理条件对钯@铂核壳结构稳定性的破坏,并确定了原子扩散对催化活性的影响.原位扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)证明了在250 oC的氩气氛围中,钯@铂纳米颗粒中原本清晰可见的1–2原子铂壳层已经消失,并伴随着颗粒表面钯铂合金化的形成.因钯金属可以吸收氢气而导致晶格间距的展宽,钯@铂核壳结构的破坏也可以通过氢气氛围中的原位X射线衍射谱中(111)衍射峰的展宽和位移进行判断.对钯@铂核壳纳米催化剂进行一系列温度的热处理结果显示,核壳结构的破坏在200 oC左右开始,并于200–300 oC之间急剧发生.一氧化碳电化学氧化脱附实验表明,热处理之后的核壳催化剂表面的一氧化碳氧化峰位置发生了明显的正移,也证明了热处理之后催化剂表面电子结构的变化.核壳结构改变对催化活性的影响也通过旋转圆盘电极进行了测量.相比于未经处理的样品, 200 oC处理之后的钯@铂核壳催化剂在0.9 V电位处的质量活性损失了约37%.进一步提高热处理温度至300 oC之后,钯@铂核壳催化剂的质量活性只有初始状态的44%.本文揭示核壳结构中因热处理而导致的原子扩散现象,并为燃料电池中核壳催化剂的应用及膜电极的制备工艺条件提供了参考.     

微量Co修饰的碳载超细Pt纳米粒子的制备及其在燃料电池氧还原催化中的应用

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有清洁、高效等优点,是一种理想的汽车动力电源.然而,由于其阴极氧还原反应(ORR)速率缓慢,需要使用大量的Pt基催化剂,导致燃料电池成本居高不下,严重制约了PEMFC的商业化发展.将Pt与过渡金属Fe, Co, Ni等形成合金,对表面Pt原子的几何结构和电子结构进行调变,可以有效提高催化剂的活性,实现Pt用量和燃料电池成本的降低.但是目前合金催化剂多采用溶剂热、浸渍-高温退火等制备方法,使用有毒有害试剂和难清洗的表面活性剂,且过程复杂、能耗高,不利于大规模化生产.此外,合金中过渡金属占比高,在燃料电池工况下,大量过渡金属溶解,加速了膜的降解,导致实际PEMFC性能的降低.对此,我们探索了一种简便有效的方法制备高活性、高稳定性的碳载Pt-Co催化剂.在没有添加表面活性剂的情况下,采用硼氢化钠辅助乙二醇还原法合成了具有超小尺寸和均匀分布的Pt-Co纳米颗粒,后续酸刻蚀处理去除不稳定的Co原子,重组双金属纳米颗粒的表面结构形成富Pt壳层,进一步提高了催化剂的活性和稳定性.通过电感耦合等离子体、X射线粉末衍射、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、高角环形暗场-扫描透射-元素分布及光电子能谱等物理表征证实了微量Co改性的碳载超细铂合金纳米颗粒的组成和结构.进一步对催化剂进行旋转圆盘电极和单电池测试,结果表明, Pt_(36)Co/C具有明显高于商业化Pt/C的有效电化学活性面积和电池性能.此外,加速衰减测试和衰减前后的电镜图片表明, Pt_(36)Co/C催化剂的稳定性相较于Pt/C亦有所增强.分析Pt-Co/C催化性能提高的原因,主要归于以下三点:(1)催化剂纳米颗粒在载体上分布均匀,且具有超小的粒径尺寸,提供了大量的三相反应界面位点;(2)双金属配体和电子效应的协同作用,降低了氧化物质在催化表面的吸附能力,加速了ORR的电催化动力学;(3)酸蚀刻导致的不稳定Co的溶解及催化剂表面结构的重排,形成了富Pt壳层结构,有利于提高催化剂的稳定性.这种简单有效的合金制备方法可以在电催化领域推广使用.     

ORR催化剂Ni_m@Pt_1Au_(n-m-1)(n=19,38,55,79;m=1,6,13,19)的密度泛函研究（英文）

燃料电池的阴极反应的反应动力学速率非常慢,限制了燃料电池技术的发展。因此,寻找低成本、高活性的氧还原催化剂具有重要的意义。多元金属核壳团簇表现出优良的氧还原活性。在本文中,以原子个数为19、38、55和79的八面体团簇作催化剂模型,采用密度泛函理论(GGA-PBE-PAW)方法,研究了一系列不同尺寸核壳Ni_m@M_(n-m)(n=19, 38, 55, 79;m=1, 6,13, 19; M=Pt, Pd, Cu, Au, Ag)团簇催化剂的活性规律。优化*O、*OH和*OOH吸附中间体结构,计算了吸附自由能和反应吉布斯自由能,以超电势为催化活性的描述符,研究了单原子Pt嵌入Ni_m@Au_(n-m)团簇的活性规律。结果表明,Ni_6@Pt_1Au_(31)具有最好的ORR活性,并且Ni_1@Pt_1Au_(17)、Ni_6@Pt_1Au_(31)、Ni_(13)@Pt_1Au_(41)、Ni_(19)@Pt_1Au_5表现出比Pt_(38)团簇以及Pt(111)表面更高的催化活性。Bader电荷和态密度分析表面,核壳之间的电荷转移以及单原子Pt嵌入Ni_m@Au_(n-m)表面,改变了吸附位的电子性质,降低了*OH的吸附强度,提高了ORR活性。单原子Pt嵌入Ni_m@Au_(n-m)表面可能是一种合适的多元金属核壳ORR催化剂设计策略。     

不同Pt壳厚度Au_(core)@Pt_(shell)纳米粒子SERS效应

以Au粒子(55nm)为核,抗坏血酸为还原剂,将不同量的Pt沉积在Au核上,制得可控壳层厚度(0.3～6nm)的Pt包Au纳米粒子(Aucore@Ptshell).用紫外-可见吸收光谱、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学循环伏安法等观测Aucore@Ptshell纳米粒子的表面形貌、结构和性能.另以SCN-为探针,考察了Pt壳厚度对Aucore@Ptshell纳米粒子SERS信号的影响.结果表明,SCN-离子的SERS信号强度随Pt壳厚度的增加呈指数衰减,当Pt壳厚度为1.4nm时,Aucore@Ptshel纳米粒子表现出铂良好的电化学性能,又具有较强的SERS活性.     

单分散聚苯乙烯微球的表面皱纹化

首先制备了不同粒径的未交联的单分散聚苯乙烯(PS)微球;而后通过离子溅射技术在PS微球表面沉积了一层均匀光滑的铂(Pt)壳层,得到了PS-Pt核壳结构的复合微球;最后借用溶剂溶胀法诱导微球表面起皱的发生,从而制备了表面带有皱纹微结构形貌的PS微球.系统考察了微球表面Pt层厚度(t)、微球粒径(D)、溶剂组成(即溶胀度)等因素对球面起皱和皱纹形貌的影响,获得了球面皱纹周期与Pt层厚度的指数关系;结合理论分析了其起皱行为,实验结果与理论分析相吻合.此外,将表面起皱与表面等离子体刻蚀技术相结合,实现了表面带有纳米点状凸起与皱纹复合微结构形貌的PS微球的可控制备.     

铈基模型催化剂的纳米结构:有序CeO_2(111)薄膜上的Pt-Co纳米颗粒（英文）

制备并表征了原子分散的模型体系:氧化铈负载的Pt-Co核壳催化剂.采用超高真空物理气相沉积法制备了有序CeO_2(111)膜上的Pt@Co和Co@Pt核壳纳米结构,并用同步辐射光电子能谱和共振光发射光谱对其进行了研究.在低Co覆盖率(0.5 ML)下Co在CeO_2(111)上沉积生成Co-CeO_2(111)固溶体,然后在更高Co覆盖率下生长为金属Co纳米粒子.Pt@Co和Co@Pt两种模型结构在300-500 K温度范围内都能稳定地抗烧结.在500 K退火后, Pt@Co纳米结构含有接近纯的钴壳,而Co@Pt中的铂壳部分被金属钴覆盖.在550 K以上,在Pt@Co和Co@Pt纳米结构中近表面区域的重新排序中产生了次表层的Pt Co合金和富铂外壳.对于Co@Pt纳米粒子,近表面区域的化学有序性取决于沉积铂壳的初始厚度.无论初始铂壳的厚度如何,在有氧存在下对Co@Pt纳米结构进行退火,都会导致Pt-Co合金的分解以及Co的氧化.Co的逐步氧化与吸附质诱导的Co偏析共同导致在负载的Co@Pt纳米结构表面形成厚的Co O层.这一过程伴随着CeO_2(111)薄膜的裂解,以及在550K以上氧气中退火后CeO_2包裹氧化的Co@Pt纳米结构.很明显,于不同温度下在氧气和氢气的氧化-还原循环过程中,无论铂的初始厚度是多少,负载的Co@Pt纳米颗粒的结构和化学成分的变化主要是由氧化所致,而还原处理的影响则很小.     

铈基模型催化剂的纳米结构:有序CeO2(111)薄膜上的Pt-Co纳米颗粒

制备并表征了原子分散的模型体系:氧化铈负载的Pt-Co核壳催化剂.采用超高真空物理气相沉积法制备了有序CeO2(111)膜上的Pt@Co和Co@Pt核壳纳米结构,并用同步辐射光电子能谱和共振光发射光谱对其进行了研究.在低Co覆盖率(0.5 ML)下Co在CeO2(111)上沉积生成Co-CeO2(111)固溶体,然后在更高Co覆盖率下生长为金属Co纳米粒子.Pt@Co和Co@Pt两种模型结构在300-500 K温度范围内都能稳定地抗烧结.在500 K退火后, Pt@Co纳米结构含有接近纯的钴壳,而Co@Pt中的铂壳部分被金属钴覆盖.在550 K以上,在Pt@Co和Co@Pt纳米结构中近表面区域的重新排序中产生了次表层的Pt Co合金和富铂外壳.对于Co@Pt纳米粒子,近表面区域的化学有序性取决于沉积铂壳的初始厚度.无论初始铂壳的厚度如何,在有氧存在下对Co@Pt纳米结构进行退火,都会导致Pt-Co合金的分解以及Co的氧化.Co的逐步氧化与吸附质诱导的Co偏析共同导致在负载的Co@Pt纳米结构表面形成厚的Co O层.这一过程伴随着CeO2(111)薄膜的裂解,以及在550K以上氧气中退火后CeO2包裹氧化的Co@Pt纳米结构.很明显,于不同温度下在氧气和氢气的氧化-还原循环过程中,无论铂的初始厚度是多少,负载的Co@Pt纳米颗粒的结构和化学成分的变化主要是由氧化所致,而还原处理的影响则很小.     

铂基氧还原催化剂在活性和稳定性方面的挑战

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中,由于阴极氧还原反应（ORR）速率缓慢,因此开发高效的ORR催化剂是实现燃料电池商业化的关键. 世界各地的研究人员在提高催化剂活性和耐久性方面做出了不懈的努力. 目前,铂基催化剂仍然是商业应用上的首选,为开发实用的低铂氧还原催化剂,研究人员开展了大量的研究. 本文说明了ORR反应遇到的挑战,并介绍了近年来铂基氧还原催化剂的研究进展,具体包括ORR机理、铂核壳结构、一维纳米Pt催化剂和其他的代表性工作.     

Nafion含量与阴离子吸附对于铂单原子层核壳结构催化剂制备的影响

本实验利用铜的欠电位沉积技术,在旋转圆盘电极上以碳负载的钯纳米颗粒为核,制备铂单原子层核壳结构催化剂. 电化学测试用于表征不同Nafion含量的添加对于核壳结构催化剂制备的影响. 实验证明,Nafion的存在会影响铜的欠电位沉积,铂与铜的置换反应,并决定最终制备的核壳结构催化剂的氧还原催化反应的活性. 当催化剂薄层中Nafion的含量低于5%的时候,添加Nafion不但可以帮助催化剂附着在旋转圆盘电极表面,而且可以保证制备的催化剂具有较好的氧还原反应催化活性. 在H₂SO₄溶液中,钯纳米颗粒的表面存在特殊的阴离子吸/脱附电化学信号峰,这些信号峰可以用来监测Nafion含量对于铂单原子层核壳结构催化剂制备的影响.     

Nafion含量与阴离子吸附对于铂单原子层核壳结构催化剂制备的影响（英文）

本实验利用铜的欠电位沉积技术,在旋转圆盘电极上以碳负载的钯纳米颗粒为核,制备铂单原子层核壳结构催化剂.电化学测试用于表征不同Nafion含量的添加对于核壳结构催化剂制备的影响.实验证明,Nafion的存在会影响铜的欠电位沉积,铂与铜的置换反应,并决定最终制备的核壳结构催化剂的氧还原催化反应的活性.当催化剂薄层中Nafion的含量低于5%的时候,添加Nafion不但可以帮助催化剂附着在旋转圆盘电极表面,而且可以保证制备的催化剂具有较好的氧还原反应催化活性.在H_2SO_4溶液中,钯纳米颗粒的表面存在特殊的阴离子吸/脱附电化学信号峰,这些信号峰可以用来监测Nafion含量对于铂单原子层核壳结构催化剂制备的影响.     

热处理温度对Pt3Co二元金属催化剂氧还原性能影响及泛函密度理论研究

制备低成本、高活性、高稳定性的铂（Pt）基氧还原反应（ORR）催化剂是质子交换燃料电池（PEMFC）大规模商业化应用的关键。以钴（Co）等非贵金属与Pt掺杂制备二元合金PtM催化剂不仅可以减少Pt用量,还可以获得高于Pt金属催化剂的ORR催化活性和稳定性。本研究使用浸渍还原法制备碳载铂钴ORR催化剂,通过控制热处理还原温度来控制纳米颗粒的结构、晶相、尺寸等,从而改善催化剂的ORR性能。XRD、TEM和电化学分析结果综合表明,热处理温度对纳米颗粒合金度和平均粒径有显著的影响,平均粒径和合金度随着热处理温度升高而增大。通过控制热处理温度可以获得粒径与合金度之间的最优值从而提高催化剂氧还原活性,实验表明,800℃是低粒径和高合金度的平衡点,在所有制备的催化剂中有最高的质量活性(0.41 A/mg_Pt)和稳定性。进一步的密度泛函理论（DFT）计算表明高合金度的Pt₃Co结构表面可以降低速控步反应势垒,提高ORR活性。     

用于燃料电池Co@Pt/C核壳结构催化剂的制备及表征

采用两步化学还原法制备了Co@Pt/C电催化剂, 并在还原气氛下对催化剂进行热处理. 通过高分辨透射电镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂的微观结构和形貌进行表征. 结果表明: 形成的Co@Pt/C催化剂具有核壳结构, 金属纳米颗粒均匀负载于碳上, 其粒径分布范围较窄; 热处理对催化剂的结构和形貌有较大影响. 利用循环伏安(CV)法和线性伏安扫描(LSV)法表征催化剂的电化学活性、氧还原反应(ORR)动力学特性及耐久性. 制备的Co@Pt/C催化剂在电解质溶液中表现出良好的电化学性能, 核壳结构的形成有助于提高Pt 的利用率. 动力学性能测试表明催化剂的ORR反应以四电子路线进行. 相比于合金催化剂,核壳结构催化剂的耐久性和稳定性有很大程度的改善.     

低负载量的双金属Au@Pt核壳催化剂催化氧化甲苯（英文）

采用液相氢气两步还原法制备了双金属Au@Pt核壳纳米粒子,通过直接吸附法将纳米粒子均匀地分散于载体上,制备出低负载量的双金属Au@Pt/Al_2O_3催化剂,并且评价了催化剂对甲苯的催化氧化性能。通过TEM、XRD、XPS、N_2吸附-脱附和H_2-TPR等对催化剂进行了表征。结果表明,与单金属Au和Pt催化剂相比,双金属Au@Pt核壳催化剂表现出更高的催化活性,具有很好的稳定性和选择性,在甲苯体积分数为1×10~(-3),气体空速为18 L·g~(-1)·h~(-1)的条件下,Au_1@Pt_2/Al_2O_3核壳催化剂具有优异的催化氧化性能,其中甲苯实现98%的转化率的温度(T_(98))为195℃。由XPS结果可知,在Au和Pt之间存在电子转移促进了Pt上活性氧物种的形成,催化剂的活性组分主要以Au~0和Pt~0的形式存在,并广泛分布在载体的表面上。Au@Pt纳米粒子与载体Al_2O_3之间的强相互作用也是提高甲苯催化氧化活性的重要因素。     

部分氧化碳化硅提高钯催化氧还原反应性能

燃料电池具有能量转换效率高的优点,是能量转换与储存的高效器件之一.目前,燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,并且催化ORR大量使用铂碳(Pt/C)催化剂,由于Pt储量少,价格高,载体碳材料易发生碳蚀导致催化剂稳定性降低,限制了其进一步商业化应用.钯(Pd)与Pt为同族元素,具有相似的电子结构和化学性质,其储量是Pt的50倍,同时,Pd具有良好的抗甲醇毒性和抗一氧化碳毒性,因此,被视为燃料电池中阴极Pt催化剂的潜在替代品.但商用Pd/C催化剂的ORR活性较Pt/C差,因此,大量的研究工作集中在提高Pd基ORR催化剂的活性方面:将Pd与具有3d轨道的金属形成合金或将Pd负载到不同的载体上.通过选择合适的载体影响Pd的电子结构,从而提高催化剂活性和稳定性,是一种较简单的、有利于规模化生产Pd基ORR催化剂的方法.碳化硅(SiC)具有良好的电化学稳定性、热稳定性、机械强度和较强的供电子能力,可被用作ORR的金属催化剂载体.然而,由于金属与SiC作用较弱,需要制备特殊形貌的SiC或将SiC表面改性;通常,这些SiC基载体的制备过程复杂并且成本高.而在有氧条件下制备、保存或使用SiC时,其表面不可避免地被氧化,这种在温和条件下生成的表面具有含氧官能团的SiC,由于制备过程简便,可以大规模生产,且与金属有强的相互作用,是一种很有前景的ORR的Pd基催化剂载体.对于用于替代Pt基催化剂的负载型Pd基ORR催化剂的开发和大规模制造来说,对载体表面改性的深入了解是一个重要并且具有挑战性的课题.目前尚未发现关于SiC表面的含氧基团对ORR性能影响的报道.因此,详细考察SiC载体上含氧基团在ORR中的作用对于理解、设计和开发具有优异ORR性能的SiC负载催化剂至关重要.本文采用沉积沉淀法在表面部分氧化的碳化硅(O-SiC)均匀负载了平均直径为5.2 nm的Pd纳米颗粒.与20 wt%商业Pt/C相比,制备的2.5 wt%Pd/O-SiC催化剂显示出较好的ORR活性(半波电位正向移动10 mV),较好的稳定性(10 h后,电流密度损失3.5%vs.34.9%),和较高的抗甲醇毒性.结构表征及密度泛函理论(DFT)计算结果表明,与Pd/C相比,Pd/O-SiC具有优异的ORR性能主要是由于O-SiC载体对Pd纳米颗粒具有电子调控作用,使Pd带负电.富电子Pd增强了ORR关键中间体OOH的吸附,降低了反应的吉布斯自由能,从而提高了ORR活性.另外,O-SiC载体对Pd纳米颗粒具有大的结合能和较好的SiC稳定性,增强了Pd/O-SiC催化剂的抗甲醇毒性及稳定性.DFT计算结果表明,SiC表面部分氧化后,仍保持对Pd的较高结合能,同时大幅增强了催化剂对中间体的吸附,降低了ORR关键电化学步骤吉布斯自由能,从而提高了氧还原性能.因此,本工作明确了SiC表面氧化的作用,同时提供了一种简易大规模制备高效负载型铂基替代ORR催化剂的策略.     

新型核壳结构催化剂的制备及其对甲酸氧化的催化作用

本文通过采用脉冲电沉积技术在氮化物纳米粒子表面沉积原子层厚度的铂,成功地制得了以碳纳米管负载氮化物纳米粒子为核的新型核壳结构催化剂TiN@Pt/NCNTs,并考察了催化剂对于甲酸氧化的催化活性和稳定性.在相同铂负载量情况下,TiN@Pt/NCNTs催化剂的甲酸氧化质量活性可达商业Pt/C催化剂的3.3倍,并表现出良好的抗CO中毒能力和电化学稳定性.研究发现,在TiN中添加少量Cu制得的TiCuN@Pt/NCNTs比TiN@Pt/NCNTs表现出更高的催化活性,其Pt的质量活性可达商品Pt/C催化剂的4.5倍.扫描透射电镜(STEM)及能谱图谱(EDS mapping)清楚地揭示了催化剂的核壳结构.独特的核壳结构使得Pt原子得到了良好的分散是催化剂表现出良好活性的重要原因,同时Cu元素在氮化钛中的掺杂可使得Pt的d电子能级进一步降低,使得催化剂的活性得到了进一步的提升.     

电化学置换法制备高Pt利用率的类核壳型Ni-Pt电催化剂(英文)

采用电化学置换法,在VulcanXC-72表面制备得到了活性高和分散性好的纳米Ptshell-Nicore电催化剂.该方法先以NaH2PO2为还原剂,化学沉积得到Ni核,Pt在Ni核表面通过原位置换形成Ni-Pt类核壳型结构.通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见光光谱(UV-Vis)和循环伏安(CV)测试证明了Pt壳层完全包覆在Ni核的表面.电化学氢吸/脱附测试结果显示,Ptshell-Nicore/XC-72的电化学活性面积为Pt/C(JM)的1.2倍,而其理论Pt担载量只为Pt/C(JM)的40%.这表明,核壳型Ni-Pt纳米粒子可以显著提高Pt的催化活性和利用率.     

高性能核壳结构催化剂PdRu@Pt/CNT的制备

采用两步沉积还原法制备了一种以PdRu合金为核、以铂为壳,以碳纳米管(CNT)为载体的核壳结构低铂催化剂PdRu@Pt/CNT.该催化剂对于甲醇催化氧化的单位位质量铂的活性可达自制20%Pt/CNT催化剂的1.7倍,且其正扫和反扫峰的峰电流密度之比(/_f//_b)高达2,是Pt/CNT催化剂/_f//_b值的2倍,表明通过将活性组分铂分散在PdRu核上,有效地提高了金属铂的分散度和铂的利用率,且通过壳层铂原子与核中钌及钯的相互作用,大大提高了催化剂对甲醇氧化中间体的去除能力.X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)的结果揭示了催化剂的核壳结构.另外,从TEM还可以看出:活性组分均匀地分布在碳纳米管载体上,活性组分粒径约为4.0 nm.由于这种催化剂能够有效提高铂的利用效率,并且有效消除甲醇氧化中间体,在低温燃料电池领域具有良好的应用前景.