Pt基高熵合金催化剂的粒径调控及其电催化性能研究

作     者：彭煜钦 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜磊

授予年度：2024年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：高熵合金催化剂 析氢反应 氢氧化反应 氧还原反应 

摘      要：在“3060双碳政策下,绿氢有望蓬勃发展。电解水制氢与燃料电池用氢是氢能产业链的关键,但析氢反应(HER)、氢氧化反应(HOR)和氧还原反应(ORR)依赖高活性但成本高昂的贵金属Pt催化剂,从而制约了其发展与应用。先进纳米电催化剂在推动电解水和燃料电池的发展中能起到决定性作用。在诸多电催化剂中,组成元素多样可实现d带中心连续调控、具有高熵、晶格畸变、迟滞扩散和“鸡尾酒四大效应的高熵合金(HEA)作为新型电催化/储能材料在电催化的发展和应用方面,引起了研究者的广泛关注。碳热冲击法(CTS)由于操作简便和能避免多组分合金产生相偏析结构,成为了制备HEA的优选技术。然而,CTS法制备的HEA颗粒常常会因在快速的高温冲击作用下发生团聚,导致催化剂粒径偏大,其尺寸可达到5～60nm甚至是微米级。HEA本身具有优秀的催化特性,但大尺寸颗粒会严重阻碍其催化性能的发挥。本论文针对上述CTS法制备HEA过程中颗粒尺寸偏大的突出问题,着眼于改变溶剂极性和氧化修饰碳载体表面对HEA颗粒尺寸影响作用的构筑策略,深入探究了 Pt基高熵合金催化剂对HER、HOR和ORR反应的催化活性。具体研究内容和结论如下: 1.无相偏析的W/U-PtFeCoNiMn/C催化剂的制备:利用高极性的水作溶剂和未被氧化处理的碳载体制备金属催化剂前驱体,用CTS制备了无相偏析的W/U-PtFeCoNiMn/C(～5.98 nm)。这对HEA催化材料的制备、结构认知和性能优化具有重要的启发意义。 2.尺寸优化的E/U-PtFeCoNiMn/C催化剂的制备:改用更低极性的乙醇作溶剂,在未氧化碳载体上制备E/U-PtFeCoNiMn/C(～3.51nm)。发现E/U-PtFeCoNiMn/C的尺寸优化了 41%,ECSA增大了 86.7%。在HER、HOR和ORR催化效率方面,E/U-PtFeCoNiMn/C高熵合金催化剂也表现出更佳的本征活性。这一发现为进一步优化HEA的形貌结构和催化性能奠定了研究基础。 3.E/O-PtFeCoNiMn/C的制备及其电催化性能的研究:使用低极性乙醇和氧化处理的碳载体相结合制备E/O-PtFeCoNiMn/C(～2.98 nm),HEA尺寸得到更进一步的优化减小。超细HEA粒子优化表面效应、反应动力学与Pt电子结构,提升Pt基高熵合金的HER、HOR、ORR活性。本工作为加快开发超细纳米尺寸、高效稳定的Pt基高熵合金电催化材料提供了借鉴意义。