钯及钯基双金属纳米粒子的制备及其电催化性能研究

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在能源环境危机日益严峻的今天,解决化石燃料存量少、污染严重、危害环境的问题是所有能源领域研究人员共同的目标。在燃料电池领域,研究高性能的贵金属催化剂一直是科研人员关注的热点。钯及钯基催化剂对于乙醇的电催化氧化在碱性溶液的条件下会表现出非常高的催化活性。研究表明,如果能够调控催化剂的形貌和结构将会对其催化性能有极大的改变。因此,控制合成的催化剂的形貌结构、尺寸大小是优化其催化性能的重要途径。本文的研究内容主要分为以下几个方面:通过简单的水热法合成了颗粒较小的钯纳米粒子,当前驱体为氯钯酸钠并使用表面活性剂制备样品时,所制备的钯纳米粒子能够表现出最高的催化活性,达到1382 mA/mg。证明了表面活性剂的存在能够有效地防止颗粒尺寸较小的钯纳米粒子因较大的表面能而发生的聚合,但是同时该方法所合成的钯纳米粒子表面会有表面活性剂的残基,致使其在硫酸溶液中的电化学曲线不能够表现出钯的特征峰,实验发现通过在氢氧化钾溶液中对样品进行电化学处理,能够有效的去除钯纳米粒子表面的表面活性剂,充分暴露其催化活性位点。使用乙酰丙酮钯和硝酸银还原制备出了颗粒较小的钯银纳米粒子,有效的提高了催化剂的性能,当乙酰丙酮钯和硝酸银的比例为4:1时制备的钯银合金能够表现出最高的催化性能,达到2246 mA/mg。并且通过先油浴再水热的方法所制备的纳米粒子其催化活性是只用油浴方法所制备的纳米粒子的133.7%左右,说明水热过程能够有效提高样品的催化性能。在钯原子中引入银原子,优化了钯原子的电子的结构,有效的降低钯催化剂在催化氧化乙醇过程中由于未完全氧化产生的含碳中间体的吸附,从而提高其抗毒化的能力;同时,在合成的钯银纳米粒子中存在的一些层错、凹凸等晶格缺陷使催化剂暴露出了更多的催化活性位点,显著提高了样品的催化性能。使用硝酸钯和硝酸银做为前驱体,用抗坏血酸缓慢还原制备了钯银纳米片,并探究了加入不同比例的硝酸钯和硝酸银以及采用油浴、水热方法对于制备样品的形貌和性能的影响。45℃的条件下所制备出的钯银合金不仅呈片状,而且其颗粒大小、形貌也比较均匀,所合成的样品中银的含量也相对较少,而且样品中存在大量的晶格缺陷,因而其催化氧化乙醇的活性也更高。水热的方法所制备的钯银合金则多为颗粒状。同时在常温条件下合成钯银合金时,加入的钯银的原料比也会对样品的催化氧化乙醇的活性产生非常大的影响,加入的钯银比例为3:1时的样品颗粒大小和形貌都更为均匀,当因此结合3:1的比例和常温合成的方法制备出的样品其催化性能约为1847 mA/mg,但是其具体的反应原理以及制备样品的最优参数尚未具体明确,需要进一步的实验和探索。
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