纳米多孔pt4pd4al材料的制备和电催化性能研究【字数：9881】
摘 要金属材料是电化学能量转换和储存的关键，电极则需要具有快速反应的动力，高电导率，高稳定性的特点。而去合金化形成的纳米多孔金属可以满足所有这些要求，去合金化法产品以其迷人的结构和优异的性能吸引着能源研究人员。本文是通过电弧熔炼和溶体快淬的方法制备Pt6Pd6Al88合金条带，再用去合金法得到纳米多孔Pt4Pd4Al催化剂。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱仪（EDS）、X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜（TEM）对合金的物相组成、晶粒形貌、尺寸大小、晶体结构等进行表征。催化剂的催化性能的研究则是在电化学工作站中测试的，对其毒化机理研究、稳定性、耐久性进行研究。
目 录
1 绪论 1
1.1纳米多孔金属的概述 1
1.1.1纳米多孔金属的介绍 1
1.1.2去合金化法的特点 2
1.1.3去合金化法的发展 3
1.2燃料电池 4
1.2.1燃料电池的优点 4
1.2.2燃料电池的分类 5
1.2.3 直接乙醇燃料电池 6
1.2.4燃料电池催化剂的发展 6
1.2.5 Pd基催化剂的优点 7
1.3本文的研究意义 8
2 实验材料及表征方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器 10
2.3 材料的表征方法 11
2.3.1扫描电子显微镜（SEM） 11
2.3.2 X射线粉末衍射（XRD） 11
2.3.3能量色散X射线光谱仪（EDS） 11
2.3.4透射电子显微镜（TEM） 11
2.4电化学测试方法 12
2.4.1循环伏安法（CV） 12
2.4.2计时电流法（IT） 12
3 实验过程与结果分析 13
3.1 实验部分 13
3.1.1 NPPt4Pd4Al催化剂的制备 13
3.1.2电极制备及电化学测试 13
3.2 结果与讨论 14
3.2.1 NPPt4Pd4Al合金的XRD表征 14
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2.2 NPPt4Pd4Al 合金的SEM和EDS 表征 15
3.2.3 NPPt4Pd4Al合金的TEM图谱 16
3.2.4 NPPt4Pd4Al合金的电化学性能测试 17
4 总结 21
参考文献 22
致谢 24 绪论
随着社会的发展，人类对能源的需求日益增加，要求也在提高，而常见燃料如石油、煤炭等会严重污染空气，考虑到环境保护等问题，燃料电池开始受到重视。燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的装置，优点是效率高、污染小等，可以满足能源消耗和环境保护的目的，值得对其进行深入研发。
对于大多数燃料电池来说，它们的主要问题是阴极上的氧还原反应效率低，而且不稳定，要解决这一问题，我们就需要开发一些新型的氧还原催化剂，目标是具有高催化活性和良好的稳定性，最好成本也要低。而我们利用脱合金法制得的纳米多孔金属是能够满足这些要求的，其具有的开放型孔道结构、优良的导电性和结构的可调控性使其可以促进燃料电池的发展。
本文以Pt6Pd6Al88前驱体合金为原料，采用脱合金法制备了结构尺寸均匀、金属比可控的纳米多孔Pt4Pd4Al合金。NPPt4Pd4Al由纳米尺度互连网络骨架构成，在三维空间中均有连续的空心通道。将NPPt4Pd4Al和商用Pt/C催化剂相比，NPPt4Pd4Al对氧还原反应(ORR)具有较好的电催化活性，具有较高的比活性和质量活性。电催化实验表明，NPPt4Pd4Al催化剂具有比商业Pd/C催化剂更好的催化耐久性，在长时间的电位扫描下，其ORR活性和电化学活性表面积损失较小。与Pd/C催化剂相比，NPPt4Pd4Al合金具有较高的乙醇耐受性。
1.1纳米多孔金属的概述
1.1.1纳米多孔金属的介绍
“纳米”、“多孔”和金属都是将电能有效转化为化学能的必要成分，这些成分推动了纳米多孔(NP)金属能源应用的初步开发。大量的材料表明，这些成分不仅仅是一些词汇的集合，它们也是材料最佳形态和功能缺陷的体现集合。长久以来，我们见证了纳米多孔金属在电化学能量转换/存储设备(如燃料电池[1]、超级电容器[2]和电池[3])方面的蓬勃发展。
为了了解纳米多孔金属的特点，我们需要研究它们所要替代的材料的特性。燃料电池和电池棒通常使用由连续的固体和孔隙相组成的电极。这些部分的连续保证了离子和电子在电池里的流动。这两个部分相互渗透，使每单位体积的界面面积达到最大，从而产生大量的反应，从而产生高电流。然而，固态部分可能被认为是不连续的，至少在成分上是这样，因为这样的双连续多孔电极通常是使用聚合物粘合剂和导电添加剂(如碳) 来连接的。在这种结构中，孔隙大小和孔隙率影响电解质中的质量传输和离子传导的效率。
1.1.2去合金化法的特点
利用去合金化法制作纳米多孔金属的过程中，不需要添加任何添加剂来创建均匀的双连续结构。在金属的溶解过程中，金属原子与相邻的原子保持着紧密的联系，使得孔隙保持开放，保持继续溶解。孔隙部分的体积分数(孔隙度)通常在40%80%范围内，下限值与合金分型极限有关，上限值与渗流阈值有关[4]。纳米多孔金属中的金属韧带直径和孔的大小从几纳米到微米不等[5,6]，可通过合金和电解质的复合以及退火后处理进行调整。利用去合金化法，纳米多孔金属不需要任何修改，就可以很容易地满足大多数能源设备的结构需求。
除自组装双连续结构外，纳米多孔金属的独特性还在于脱合金过程中存在缺陷。在表面上，其催化活性可以比平面表面的催化活性高出许多数量级[7]。在表面之下，残余的成分使金属条带成为合金核心合金外壳结构[8]。核心组分可以调整，以改变表面和化学吸附物之间的相互作用，使其达到最佳水平，即强度足以打破反应物中的键，但强度又弱到足以疏散该位置，以便进行下一个反应，从而使反应动力最大化。当我们使用纳米多孔金属作为其他材料的基础时，表面缺陷也有重要作用，例如产生附着良好并具有良好导电性的共形层[9]。这些缺陷的存在也说明了纳米多孔金属的结构稳定性，这是其电极性能稳定的基础。
目 录
1 绪论 1
1.1纳米多孔金属的概述 1
1.1.1纳米多孔金属的介绍 1
1.1.2去合金化法的特点 2
1.1.3去合金化法的发展 3
1.2燃料电池 4
1.2.1燃料电池的优点 4
1.2.2燃料电池的分类 5
1.2.3 直接乙醇燃料电池 6
1.2.4燃料电池催化剂的发展 6
1.2.5 Pd基催化剂的优点 7
1.3本文的研究意义 8
2 实验材料及表征方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器 10
2.3 材料的表征方法 11
2.3.1扫描电子显微镜（SEM） 11
2.3.2 X射线粉末衍射（XRD） 11
2.3.3能量色散X射线光谱仪（EDS） 11
2.3.4透射电子显微镜（TEM） 11
2.4电化学测试方法 12
2.4.1循环伏安法（CV） 12
2.4.2计时电流法（IT） 12
3 实验过程与结果分析 13
3.1 实验部分 13
3.1.1 NPPt4Pd4Al催化剂的制备 13
3.1.2电极制备及电化学测试 13
3.2 结果与讨论 14
3.2.1 NPPt4Pd4Al合金的XRD表征 14
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2.2 NPPt4Pd4Al 合金的SEM和EDS 表征 15
3.2.3 NPPt4Pd4Al合金的TEM图谱 16
3.2.4 NPPt4Pd4Al合金的电化学性能测试 17
4 总结 21
参考文献 22
致谢 24 绪论
随着社会的发展，人类对能源的需求日益增加，要求也在提高，而常见燃料如石油、煤炭等会严重污染空气，考虑到环境保护等问题，燃料电池开始受到重视。燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的装置，优点是效率高、污染小等，可以满足能源消耗和环境保护的目的，值得对其进行深入研发。
对于大多数燃料电池来说，它们的主要问题是阴极上的氧还原反应效率低，而且不稳定，要解决这一问题，我们就需要开发一些新型的氧还原催化剂，目标是具有高催化活性和良好的稳定性，最好成本也要低。而我们利用脱合金法制得的纳米多孔金属是能够满足这些要求的，其具有的开放型孔道结构、优良的导电性和结构的可调控性使其可以促进燃料电池的发展。
本文以Pt6Pd6Al88前驱体合金为原料，采用脱合金法制备了结构尺寸均匀、金属比可控的纳米多孔Pt4Pd4Al合金。NPPt4Pd4Al由纳米尺度互连网络骨架构成，在三维空间中均有连续的空心通道。将NPPt4Pd4Al和商用Pt/C催化剂相比，NPPt4Pd4Al对氧还原反应(ORR)具有较好的电催化活性，具有较高的比活性和质量活性。电催化实验表明，NPPt4Pd4Al催化剂具有比商业Pd/C催化剂更好的催化耐久性，在长时间的电位扫描下，其ORR活性和电化学活性表面积损失较小。与Pd/C催化剂相比，NPPt4Pd4Al合金具有较高的乙醇耐受性。
1.1纳米多孔金属的概述
1.1.1纳米多孔金属的介绍
“纳米”、“多孔”和金属都是将电能有效转化为化学能的必要成分，这些成分推动了纳米多孔(NP)金属能源应用的初步开发。大量的材料表明，这些成分不仅仅是一些词汇的集合，它们也是材料最佳形态和功能缺陷的体现集合。长久以来，我们见证了纳米多孔金属在电化学能量转换/存储设备(如燃料电池[1]、超级电容器[2]和电池[3])方面的蓬勃发展。
为了了解纳米多孔金属的特点，我们需要研究它们所要替代的材料的特性。燃料电池和电池棒通常使用由连续的固体和孔隙相组成的电极。这些部分的连续保证了离子和电子在电池里的流动。这两个部分相互渗透，使每单位体积的界面面积达到最大，从而产生大量的反应，从而产生高电流。然而，固态部分可能被认为是不连续的，至少在成分上是这样，因为这样的双连续多孔电极通常是使用聚合物粘合剂和导电添加剂(如碳) 来连接的。在这种结构中，孔隙大小和孔隙率影响电解质中的质量传输和离子传导的效率。
1.1.2去合金化法的特点
利用去合金化法制作纳米多孔金属的过程中，不需要添加任何添加剂来创建均匀的双连续结构。在金属的溶解过程中，金属原子与相邻的原子保持着紧密的联系，使得孔隙保持开放，保持继续溶解。孔隙部分的体积分数(孔隙度)通常在40%80%范围内，下限值与合金分型极限有关，上限值与渗流阈值有关[4]。纳米多孔金属中的金属韧带直径和孔的大小从几纳米到微米不等[5,6]，可通过合金和电解质的复合以及退火后处理进行调整。利用去合金化法，纳米多孔金属不需要任何修改，就可以很容易地满足大多数能源设备的结构需求。
除自组装双连续结构外，纳米多孔金属的独特性还在于脱合金过程中存在缺陷。在表面上，其催化活性可以比平面表面的催化活性高出许多数量级[7]。在表面之下，残余的成分使金属条带成为合金核心合金外壳结构[8]。核心组分可以调整，以改变表面和化学吸附物之间的相互作用，使其达到最佳水平，即强度足以打破反应物中的键，但强度又弱到足以疏散该位置，以便进行下一个反应，从而使反应动力最大化。当我们使用纳米多孔金属作为其他材料的基础时，表面缺陷也有重要作用，例如产生附着良好并具有良好导电性的共形层[9]。这些缺陷的存在也说明了纳米多孔金属的结构稳定性，这是其电极性能稳定的基础。
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