铂基电催化材料的制备及其性能探究
能源危机，环境恶化，发展清洁能源及能源转换装置迫在眉睫。质子交换膜燃料电池是具有发展潜力的高效率、环保型的能量转化体系。阴极氧还原反应动力学过程的缓慢成为限制其发展的主要原因。铂基催化剂仍是当下最有效的氧还原催化剂，但存在活性较低、稳定性不足等问题，因此研发高性能铂基氧还原催化剂无疑是关键要素。 本论文以基础电化学、电催化、化学动力学与热力学为理论指导，针对目前铂基ORR催化剂存在的关键科学问题，从催化剂结构和界面设计为出发点，基于固态相变，以热处理为主要后处理手段，通过对实验参数的调控，成功地利用催化剂结构作用与界面作用等，实现了高活性高稳定性铂基ORR催化剂的制备。本文主要取得的创新结果如下： （1）采用简单的去合金化相分离法，通过对碳载铂锡合金纳米粒子进行退火处理，原位生成了具有强耦合界面的碳载铂–二氧化锡杂化催化剂（Pt–SnO2/C）。在该催化剂中Pt（111）晶面和SnO2（200）晶面的晶格条纹在垂直方向上有明显的重叠，Pt与SnO2界面处存在强耦合作用。电化学测试表明，Pt–SnO2/C催化剂具有较好的ORR活性和稳定性，且应用于MEA中仍有较好性能。性能的提升归因于界面存在的强耦合作用，既有利于在Pt表面富集更多的电子，又起到了Pt表面较好的压缩应变效应，同时，稳定的Pt-SnO2-C三相结构有助于对Pt的强锚定。此外，该催化剂表现出较强的活性氧降解能力。该相分离方法有望应用于其它强耦合界面纳米杂化材料的制备，并为低成本能源转换器件中高性能多相催化剂的制备提供指导意义。 （2）采用有序化与表面处理结合的策略，通过改进的微波辅助醇还原法制备得到小尺寸碳载铂铁合金纳米粒子，随后，在热处理中实现相转变得到碳载L10型铂铁金属间化合物催化剂，并进一步采用浸出-嵌入-重排方法表面铋处理的方式得到具有增强表面压应变的核壳结构碳载铂铁@铂铋金属间化合物催化剂（FePt@PtBi）。FePt@PtBi催化剂表现出极佳的ORR性能，且应用于MEA中仍有较好性能。其高活性和稳定性可归因于L10型FePt核的层间压缩和PtBi壳层的面内剪切的叠加应变效应。此外，该表面处理策略得到了一系列活性增强的催化剂，一种通用且低成本的制备高性能电催化剂的方法，为合成具有高稳定性且抗毒化的新型ORR催化剂开拓了一条令人兴奋的新途径。 （3）采用第二相诱导结构相变策略，通过改进的微波辅助醇还原法制备得到小尺寸碳载铂纳米粒子种子，随后结合浸渍与热处理，在热处理过程中实现第二相诱导结构相变得到有序L10型铂钴合金催化剂（L10-CoPt）。L10-CoPt催化剂显示出优异的ORR活性和稳定性，且应用于MEA中仍有较好性能。其优异的性能归因于金属间化合物所带来的增强应变效应，更利于ORR催化。此外，该种合成方法依赖于热处理过程中率先生成的第二相Co2P所提供的大量空位，加速了Pt向正交富钴骨架的扩散，从而实现L10型结构的生成。该种第二相诱导结构相变合成策略为实现更多金属间化合物材料体系的开发提供了重要的借鉴意义。
燃料电池;氧还原催化剂;热处理;电化学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
王峰
2022
中文
TM911.4
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）