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燃料电池是一种将化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,由于其电池反应过程中不涉及燃烧,具有绿色高效、洁净环保的显著特点,受到了科研工作者的广泛关注,是极有潜力的新能源装置。其中,直接甲酸燃料电池(DFAFC)由于其无毒、安全不易燃、对Nafion膜的渗透率较低等优点在众多燃料电池中脱颖而出。目前,贵金属Pd是公认的性能较好的DFAFC催化剂之一,但是,直接使用Pd基催化剂仍然存在成本高、活性和稳定性不够理想等问题。因此,如何调控Pd基催化剂的结构和组成,进一步提高Pd的利用率,具有十分重要的研究意义。已有的研究表明,提高贵金属Pd的利用率通常有以下几种方法:1.调节催化剂组分。通过掺杂Fe、Co、Ag等金属,贵金属纳米晶的晶格间距会拉伸或压缩,从而调整催化剂的电子结构,加上不同组分间具有的协同作用,可以有效地提高其电催化活性;2.合成负载型催化剂。通过使用活性碳、石墨烯、碳纳米管等具有高导电率和高比表面积的载体负载贵金属Pd,可以大大增加催化剂的利用率、稳定性和催化活性;3.进行形貌调控。通过对贵金属Pd几何构型、尺寸分布、暴露晶面、空间维度等的调控,可以增大其比表面积并且增加表面活性位点,从而提升催化剂的电催化效率。基于以上,本文设计了三种不同方案来提高Pd基催化剂对直接甲酸燃料电池的电催化性能。主要内容如下:1.通过直接热分解方法来合成形态均匀且高度分散在活性碳上的PdM(M=Co,Fe,Ni)纳米枝晶。通过TEM、EDX、XRD和XPS等一系列手段对其形貌、结构和组分进行了详细表征。电化学测试结果表明,由于树枝状的结构特点和3d过渡金属与Pd之间的协同作用,该系列催化剂均对甲酸氧化反应均表现出了优异的电催化活性。以活性碳负载的PdCo纳米枝晶催化剂为例,其质量比活性达到2467.7 A g-1,分别是Pd/C-control催化剂(698.3 A g-1)和商业化Pd/C催化剂(237.6 A g-1)的3.53倍和10.4倍,同时活性碳负载的PdCo纳米枝晶催化剂相对于Pd/C催化剂具有更好的稳定性。2.基于一锅水热法共还原Pd和Fe的前驱体,在(S)-(-)-2,2’-二氨基-1,1’-萘胺的辅助下可控合成PdFe合金四面体。EDX、XRD和XPS证明了 Pd元素和Fe元素的均匀分布,该种合金化的结构能够通过协同效应、电子效应和晶格畸变来有效地调控电催化性能。测试结果表明:所得的PdFe纳米合金催化剂对于甲酸氧化反应的质量比活性和面积比活性分别达到了 595.8 Ag-1和33.4 A m-2,是商业化Pd黑的4.8倍和2.4倍。同时PdFe合金四面体还表现出了优异的电催化稳定性和较好的抗CO毒化能力。3.开发了一种极简、快速且高效的方式合成高度分支化的PdAg纳米蒲公英。在该体系中,末端带有双键的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)同时起到了结构导向剂、溶剂、稳定剂和还原剂的作用。XPS研究表明,金属Ag能够有效改变Pd的电子状态,从而提升Pd催化剂的催化性能。电化学测试表明,高度分支化的PdAg纳米蒲公英的电化学活性面积(ECSA)为21.13 m2 g-1,是商业化Pd黑(6.42 m2g-1)的3.3倍。同时,其对甲酸催化氧化反应的电流密度达到319.6A g-1,这比商业化Pd黑(118.0 A g-1)高约2.7倍。