钌基单原子的合成及其碱性氢氧化性能研究

作     者：于学蕾 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵晓

授予年度：2024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：Ru单原子 碱性氢氧化反应 非铂催化剂 抗CO毒化 富氧多孔纳米片 

摘      要：氢燃料电池包括阳极氢氧化反应和阴极氧还原反应,由于pH效应,碱性氢氧化反应（HOR）比酸性HOR慢1-2个数量级;重整氢中的微量CO容易造成Pt中毒和性能衰退。因此,高效且抗CO毒化的碱性HOR催化剂对于阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的应用有重要意义。钌基材料有高的氢氧化活性和比铂更低的成本,在碱性HOR中有重要应用前景;但目前钌基HOR催化剂的活性、耐氧化性及抗CO毒化能力仍需进一步提高,以满足实际应用。 本论文分别将Ru单原子嵌入在富含氧功能团的多孔碳纳米片上（Ru1-O/C）和多孔碳纳米片担载的Ni纳米网上（Ru1Ni NWs/C）,所制备的两种Ru单原子基催化剂均展现了优异的HOR性能和抗CO毒化能力,具体阐述如下。 ***1-O/C:制备了富含氧官能团的多孔纳米片,其中的-O/OH官能团能作为螯合位点固定金属单原子;再通过Na BH4还原耦合一步水热法制备了一系列的M1-O/C催化剂（M=Ru,Pd,Ir,Pt,Au,Os,Rh）。电化学性能测试结果表明在所研究的M1-O/C催化剂中,Ru1-O/C具有最高的HOR活性,其质量活性在25 m V和50 m V下分别为2.49 A mgRu-1和8.07 A mgRu-1,是商用Pt/C催化剂的36.08倍和40.35倍。更重要的是,Ru1-O/C也具有优异的耐久性,在40,000个电催化循环后,HOR性能没有明显衰减。CO毒化测试表明Ru1-O/C由于独特的电子结构与CO在其上的弱吸附,使其具有优异的抗CO毒化能力。对Ru1-O/C催化剂进行了详细的同步辐射X-射线吸收谱、球差校正的电子显微镜、拉曼光谱等物理表征。构效分析表明Ru1-O/C优异的HOR性能可能来源于含氧官能团对界面水结构的扰动和Ru-O配位环境导致Ru具有弱的氢结合能。 ***1Ni NWs/C:富含氧官能团的多孔碳纳米片为载体,通过Na BH4还原耦合一步水热法制备了一系列的M1Ni NWs/C（M=Ru,Pd,Ir,Pt,Au,Os,Rh）催化剂。这里选用Ni NWs作为金属单原子的载体是因为Ni NWs自身也是良好的HOR催化剂。以贵金属单原子与Ni NWs结合不仅可能产生协同增强效应还能增大HOR的活性位点数量,从而提高Ru1Ni NWs/C催化剂的极限电流密度和整体催化性能,满足实际应用中大电流密度放电需求。电化学性能测试表明Ru1Ni NWs/C在所研究的M1Ni NWs/C催化剂中具有最好的HOR活性和最高的极限电流密度。Ru1Ni NWs/C在50 m V时达到极限电流密度区,其值为3.46 m A cm-2;在25 m V时,Ru1Ni NWs/C的Ru基质量活性是23.73 A mgRu-1,是商业Pt/C和Pt Ru/C的401.88倍和64.13倍。在稳定性测试中,Ru1Ni NWs/C在运行30,000个电催化循环,性能没有明显的衰减;同时Ru1Ni NWs/C催化剂表现出优异的抗CO毒化能。