铜基多元合金纳米管的制备及其合金化效应对催化性能的影响
为了研究铜基合金纳米管的成分及其合金化效应对其电催化性能的影响，本论文以铜纳米线为模板，采用电化学置换的合成方法，分别制备了不同种类的铜基多元合金纳米管并对其性能及氧气还原反应的机理进行了研究。 首先以氯铂酸为铂源，铜纳米线为前驱体模板，通过控制氯铂酸的滴加量，制备了不同成分的铜铂二元合金纳米管。制得的纳米管的直径在100-150纳米之间，壁厚15-25纳米，管长2-3微米;铜铂元素在合金纳米管壁上均匀分布。对不同成分的铜铂合金纳米管进行了电催化性能的研究。其中，成分为Cu40Pt60催化性能最优，其催化氧气还原反应的起始电位和半波电位分别超出商业Pt/C57mV和20mV，在催化甲醇氧化过程中正负扫峰电流密度的比值约为商业Pt/C的1.57倍。材料合金化效应能够大幅提高其电催化活性。材料氧化还原反应机理研究结果表明:相较于商业Pt/C，铜铂合金中由于铜铂间的合金化效应改变了Pt5d轨道的电子结构，从而减弱了氢氧根与合金表面相互作用，提高了电催化反应的速率。 其次，为了降低上述二元合金的成本，使用相对便宜的氯化钯替换了氯铂酸，采用相同的电化学置换方法，制备了铜钯合金纳米管。结果发现，该催化表现出优秀的催化甲醇氧化性能，大部分催化剂催化甲醇氧化的性能优于商业Pt/C。其中成分为Cu20Pd80性能最优， 为了进一步探明合金化效应对催化性能的影响，在上述二元合金的基础上，又制备了铜铂钯三元合金纳米管。在三元合金纳米管中各金属元素均匀分布在合金纳米管壁上，其合金化程度达到原子级水平。由于金属间的协同效应使得三元合金具有优异的催化性能。不同成分的三元合金的催化氧气还原性能均优于商业Pt/C，其中性能最优的为Cu28.5Pt37.2Pd34.3，在酸性体系下其起始电位和半波电位分别超出商业Pt/C88mV和49mV,在电位值为0.85V(vs.RHE)处其催化氧气还原动力学电流密度约为商业Pt/C的8倍。此外，其催化甲醇氧化的正负扫峰电流密度的比值约为商业Pt/C的1.9倍。 最后，通过比较三种不同类型的合金催化剂性能，催化活性由强到弱为:铜铂钯三元合金＞铜铂二元合金＞铜钯二元合金。三元合金的高度合金化是引起高的氧气还原和甲醇氧化的电催化性能的原因之一。
铜基多元合金纳米管;电化学置换法;合金化效应;电催化性能;氧气还原反应
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
刘景军
2017
中文
TQ426.8
121
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）