纳米多孔钯基催化剂的制备及其在甲酸燃料电池中的应用

作     者：谢峻洋 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁轶;孟繁慧

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：纳米多孔金属 钯基合金 直接甲酸燃料电池 甲酸氧化反应 

摘      要：随着能源需求的日益增长,化石燃料的消耗与CO排放总量快速上升,“清洁、低碳、安全、高效的能源变革已是大势所趋,而燃料电池技术是清洁能源技术的重要一员。作为燃料电池的其中一类,直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有污染少、燃料来源丰富和易于储存运输、能源效率高的特点,是燃料电池技术的重要研究方向。针对甲酸燃料电池阳极使用Pt、Pd作为电催化剂所导致的成本高昂、储量稀少的问题,同时,传统的碳负载催化剂存在Pt、Pd负载量高、易毒化、碳载体腐蚀严重等问题,严重阻碍了甲酸燃料电池的商业化应用。而具有高孔隙率、高比表面积的纳米多孔金属催化剂凭借其双连续自支撑的3D网络结构,首先可以避免负载型催化剂中碳载体腐蚀问题;其次,有利于传质的孔道结构和配位原子丰富的韧带表面使纳米多孔金属催化剂在较低Pd负载量下即可实现优异的催化活性和长程稳定性。本文围绕低Pd载量的纳米多孔Pd基催化剂展开研究,具体研究内容如下:(1)通过欠电位沉积、差分脉冲电沉积和化学置换法三种方法可控的合成了不同催化表面形貌的NPG-Pd核壳催化剂。结合电化学手段和电镜表征分析并筛选出了最优合成方法。研究了Pd在NPG上沉积过程中催化表面的演化并结合电镜表征、电化学测试、膜电极测试分析不同载量NPG-Pd的构效关系。研究表明:随壳层Pd原子层数增多催化表面呈外延生长-粗糙微结构-扭曲沟壑三个阶段。在12μg载量下活性面积最大且达到质量活性峰值,为商业Pd/C的7倍。膜电极性能归一化到钯负载量的质量功率密度达到了商业Pd/C催化剂的126倍。(2)通过逐层脉冲电沉积结合退火的方法,以纳米多孔金为基底,设计合成了Pd Cu Au三元合金催化剂。构建的NPG-Pd Cu Au合金催化剂的本征活性(15m A·cm)和质量活性(6012 A·g )分别是商Pd/C的15倍和14倍。此外,得益于Pd Cu Au三元合金的多重协同效应,催化剂的抗一氧化碳能力和耐久性较NPG-Pd得到显著提升。该催化剂在单电池中的归一到钯载量的质量比功率密度达到9.3W·mg,较商用Pd/C提高186倍,金的引入降低了催化剂的d带中心并调节了一氧化碳中间体的结合能。同时,金修饰钯的电子结构,发挥显著的电子效应。铜主要通过吸附游离羟基来提高钯的抗一氧化碳能力。此外,金能显著稳定铜,减轻铜在酸性环境中的电化学腐蚀,从而保证材料结构的长期稳定性。