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碳载合金 IrM(M = Fe,Ni,Co)纳米颗粒催化酸性与碱性介质中氢氧化反应
引用本文:廖建华,丁炜,陶思成,聂瑶,李巍,吴光平,陈四国,李莉,魏子栋. 碳载合金 IrM(M = Fe,Ni,Co)纳米颗粒催化酸性与碱性介质中氢氧化反应[J]. 催化学报, 2016, 0(7): 1142-1148. DOI: 10.1016/S1872-2067(15)61064-6
作者姓名:廖建华  丁炜  陶思成  聂瑶  李巍  吴光平  陈四国  李莉  魏子栋
作者单位:重庆大学化学化工学院,重庆,400044
基金项目:2012CB215500),the National Natural Science Foundation of China(21573029),the Fundamental Research Funds for the Central Universities (106112015CDJXY220002).@@@@基金来源:国家重点基础研究发展计划(973计划;2012CB215500),国家自然科学基金(21573029),中央高校基本科研业务费专项资金(106112015CDJXY220002)
摘    要:质子交换膜燃料电池(PEMFC)因能量转化率高、电流密度大、对负荷响应快及环境友好等优点而应用前景广阔.然而, Pt基催化剂的大量使用使得 PEMFC成本居高不下,阻碍了其商业化进程.金属 Ir具有良好的稳定性和相比 Pt较低的成本,可替代金属 Pt催化燃料电池阳极氢氧化反应.但是, Ir基催化剂的催化活性比 Pt低,难以满足商业化要求.通过合金调控 Ir纳米晶的电子结构和几何结构是降低 Ir用量、提高 Ir催化剂氢氧化活性的有效方法.
  本文研究了 Ir基合金纳米晶中合金元素(Fe, Ni, Co)所产生的合金效应在酸碱性介质中对催化氢氧化的影响.采用溶剂蒸发-氢气还原法合成了具有相近合金度且平均粒径小于5 nm的 IrFe, IrNi和 IrCo纳米合金催化剂.电化学测试表明, IrNi合金催化剂具有最高的催化氢氧化活性.在酸性介质中, IrNi合金催化剂的质量比活性达到152 A/gIr (@0.1 V vs RHE),高于 IrFe (146 A/gIr)和IrCo (133 A/gIr)合金催化剂以及商业化 Pt/C催化剂(116 A/gPt).而在碱性介质中, Ir基合金催化剂活性较酸性介质中低,各合金催化剂优劣次序与酸性介质中一致.结构分析表明,合金化致使 Ir晶格收缩,收缩程度以 IrFe, IrNi和 IrCo的顺序依次降低. IrNi合金催化剂中 Ni合金元素诱导 Ir发生晶格收缩适中,使催化剂与中间物种(Had, OHad)的相互作用适度,从而获得最优的催化性质.另外,合金效应在不同 pH介质中影响不一:在酸性介质中,由合金元素(Fe, Ni, Co)导致的 Ir–Had相互作用弱化是提高氢氧化活性的主要原因;在碱性介质中,催化剂表面的亲氧效应决定了电极表面的 OHad吸/脱附性质和 Had表面覆盖度,从而影响催化氢氧化活性.

关 键 词:合金效应  氢氧化反应  铱合金  晶格收缩  燃料电池

Carbon supported IrM (M=Fe,Ni, Co) alloy nanoparticles for the catalysis of hydrogen oxidation in acidic and alkaline medium
Jianhua Liao,Wei Ding,Sicheng Tao,Yao Nie,Wei Li,Guangping Wu,Siguo Chen,Li Li,Zidong Wei. Carbon supported IrM (M=Fe,Ni, Co) alloy nanoparticles for the catalysis of hydrogen oxidation in acidic and alkaline medium[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 0(7): 1142-1148. DOI: 10.1016/S1872-2067(15)61064-6
Authors:Jianhua Liao  Wei Ding  Sicheng Tao  Yao Nie  Wei Li  Guangping Wu  Siguo Chen  Li Li  Zidong Wei
Abstract:We studied the alloying effect in Ir‐based alloys on the catalysis of the hydrogen oxidation reaction (HOR) in both acidic and alkaline medium. IrFe, IrNi and IrCo alloy catalysts with nanoparticle size of<5 nm were obtained by our solvent‐vaporization plus hydrogen reduction method. The second metal played an important role in tuning the crystal structure and surface electronic structure of the Ir‐based alloy catalyst. Among the IrFe, IrCo and IrNi alloy catalysts, Ni induced a mid‐sized contrac‐tion of the Ir lattice, and gave the best HOR activity in both acidic and alkaline medium. In acidic medium, the weakening of the Ir–Had interaction caused by the electronic effect of M (M=Fe, Ni, Co) alloying is responsible for the enhancement of HOR activity. The oxophilic effect of the catalytic metal surface, which affects OHad adsorption and desorption and surface Had coverage, has a large impact on the HOR activity in the case of alkaline medium.
Keywords:Alloying effect  Hydrogen oxidation reaction  Iridium alloy  Lattice contraction  Fuel cell
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