萝卜炭负载亚纳米尺度铂基团簇的制备及其氧还原电催化性能研究
氧气还原反应(ORR)对于燃料电池的开发应用具有重要意义，但是其动力学过程缓慢，需要加入催化剂以促进反应进行。目前，商业上应用的主流催化剂为Pt/C，但受限于铂储量稀缺，比质量活性和长期稳定性较差等缺点。为此，降低铂用量，提高其活性和稳定性成为实际研究中的关键。亚纳米尺度的铂基团簇因具有较高的原子分散度和比表面积使得活性催化位点得以大量暴露，应用前景十分广阔。本课题自制了萝卜衍生的氮掺杂多孔炭作稳定材料，采用光化学还原法制备了亚纳米级铂团簇和双金属团簇。取得的主要研究结果如下: (1)采用工业上易于放大生产的紫外光辐照还原法，以氮掺杂的多孔萝卜炭为载体，制备出原子数精确可调的铂团簇Ptx(x=1～43)。其中，经五次UV照射得到的0.75nm铂团簇表现出优异的ORR电催化活性(E1/2为0.93VvsRHE，MA为1.45AmgPt-1)，超过商用的Pt/C催化剂(E1/2为0.87VvsRHE,MA为0.14AmgPt-1)。 (2)在原子水平上研究了金属团簇的稳定结构和形成机制:DFT计算揭示了吡啶型氮原子修饰的0.8nm微孔是锚定[PtCl6]2-的活性位点;随后被还原的Pt原子将于炭表面逐步自发生长，成为0.75nm面心立方密排的稳定团簇。这项工作为合成原子精确的其他贵金属基团簇提供了一条可能的途径。 (3)基于合金化对Pt电子调控和结构调控的优势，提出了底部单原子的编辑策略，采用氨气辅助的固相热迁移法分别将铜单原子和钴单原子修饰于萝卜炭表面，而后经UV定向沉积得到双金属亚纳米团簇Cu1Ptx和Co1Ptx，MA分别达2.10AmgPt-1和2.27AmgPt-1，优于纯Pt团簇Ptx(1.45A mgPt-1)和商业Pt/C(0.14 A mgPt-1)。团簇尺寸引起的压缩效应以及客体金属产生的电子配位效应，是导致材料氧还原电催化性能显著改善的主要原因。
铂团簇;双金属团簇;氧气还原反应;电催化活性;萝卜炭;亚纳米尺度
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
刘景军
2021
中文
O614.31
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）