多元Pt-基纳米多孔金属薄膜的制备及电化学性能研究

论文总字数：32608字

摘 要

燃料电池的商业化被誉为解决能源危机的最有效途径，而减少Pt在燃料电池阴、阳极的负载量、加强Pt的催化能力及稳定性是关键的可供研究的问题所在。本文选择利用磁控溅射制备PtSi纳米薄膜前驱体，在不同参数下进行脱合金，探究脱合金方式、时间、浓度对于成分及表面相貌的影响。实验发现，通过自由腐蚀得到的薄膜相较电化学脱合金而言孔径分布更为均匀。同时，在一定范围内，脱合金浓度的提高、时间的延长有助于孔径的增大与脱合金的完全。此外，对不同脱合金时间下的薄膜样品进行了甲醇、乙醇的催化性能测量分析后发现，脱合金时间越久，电流密度越大。孔径的减小有助于醇氧化电位的负移，而孔径的增大对催化稳定性的提高有明显的好处。同时，通过拼靶的方式往PtSi中分别添加Pd、Au元素，分析元素添加对于脱合金形貌、成分、催化性能的影响。发现Pd、Au添加对脱合金速率影响较为明显，Au的添加使脱合金难以生成均匀分布的孔洞。此外，对于脱合金基本完全的样加以甲醇、乙醇催化分析发现，Au的添加增强了纳米多孔金属薄膜对甲醇的催化能力，而Pd的添加对于甲醇、乙醇的催化能力均有所削弱。

关键词：磁控溅射；纳米多孔PtSi；Pd、Au添加；脱合金；甲醇、乙醇催化

Abstract

The commercialization of fuel cell is known to be the most effective ways to solve the energy crisi s, and reduce the Pt in the cathode or anode of fuel cell, strengthen the Pt catalytic ability and stability is the key of the research. In this Paper, the PtSi nano-precursor was prepared by magnetron sputtering, and the dealloying process will be conducted under different  Parameters. The influence on the surface appearance and the composition will be studied by considering different methods, dealloying time and concentrations of the alloy. It is found that the pore size distribution of the films obtained by free corrosion is more uniform than that of the electrochemical dealloy. At the same time, in a certain range, the increase of the dealloying solution concentration and the extension of dealloying time will allow bigger pore size and less active alloy. In addition,the catalytic performances of methanol and ethanol were tested and analyzed using the samples of 

different alloys. We found that when the time of dealloying was longer, the current density was higher. The decrease of the pore size can be helpful to the negative shift of the oxidation potential of alcohols, while the increase of the pore size is obviously good for the enhancement of catalytic stability. At the same time, the Pd and Au elements were added to the PtSi by magnetron sputtering using different target, then study different morphology, composition and catalytic properties of the alloys caused by different elements. It is found that the addition of Au and Pd have obvious effect on the rate of the alloy removal, and the addition of Au  makes it difficult to produce uniform distribution of the voids. In addition, after study the sample of completely dealloying, it is found that the addition of Au enhance the catalytic ability for methanol of nanoporous metal film, and the addition of Pd weaken the catalytic activity for methanol and ethanol.

Key words: magnetron sputtering；nanoporous PtSi；dealloying；catalytic activity for methanol and ethanol

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 Pt基纳米材料概述 2

1.2.1纳米材料的各类效应 2

1.2.2 Pt基纳米材料的分类 2

1.2.3 Pt基纳米催化剂的发展与应用 3

1.3 Pt基纳米多孔金属的形态与优点 4

1.4 Pt基纳米多孔金属的制备方法 5

1.4.1多孔结构制备方法 5

1.4.2前驱体制备方法 5

1.5 Pt基纳米多孔金属的电化学测试方法 5

1.6本文的研究目的和意义 6

1.6.1研究目的 6

1.6.2研究意义 6

第二章 实验原理和实验方法 7

2.1实验路线 7

2.2实验原料及数据 7

2.2.1前驱体制备原料 7

2.2.2纳米多孔金属制备的试剂 8

2.2.3纳米多孔金属性能测试的试剂 8

2.3实验设备及原理 8

2.3.1前驱体制备的实验设备 8

2.3.2纳米多孔金属材料制备的实验设备 8

2.3.3性能测试的实验设备 8

2.3.4形貌表征的实验设备 8

2.4材料制备、表征方法及原理 8

2.4.1 XRD 8

2.4.2扫描电镜SEM 9

2.4.3能谱仪 9

2.4.4磁控溅射仪、喷金仪 9

第三章 纳米多孔PtSi的制备与性能研究 10

3.1 前驱体的制备 10

3.1.1 Ti中间层的制备 10

3.1.2 Pt中间层的制备 10

3.1.3脱合金层前躯体的制备 10

3.1.4脱合金层成分控制 11

3.2电化学脱合金制备纳米多孔PtSi 12

3.2.1电化学电位对纳米多孔PtSi的影响 12

3.3自由腐蚀脱合金制备纳米多孔PtSi 13

3.3.1腐蚀液浓度对纳米多孔PtSi的影响 13

3.3.2脱合金时间对纳米多孔PtSi的影响 16

3.4纳米多孔PtSi的催化性能研究 19

3.4.1甲醇的催化性能研究 20

3.4.2乙醇的催化性能研究 21

第四章 纳米多孔PtPdSi的制备及性能研究 23

4.1前驱体的制备 23

4.2自由腐蚀脱合金制备纳米多孔PtPdSi 24

4.2.1脱合金时间对纳米多孔PtPdSi的影响 24

4.3纳米多孔PtPdSi 的催化性能研究 27

4.3.1甲醇的催化性能研究 27

4.3.2乙醇的催化性能研究 28

第五章 纳米多孔PtAuSi的制备及性能研究 31

5.1前驱体的制备 31

5.2自由腐蚀脱合金制备纳米多孔PtAuSi 32

5.2.1脱合金时间对纳米多孔PtAuSi的影响 32

5.3纳米多孔PtAuSi 的催化性能研究 35

5.3.1甲醇的催化性能研究 35

5.3.2乙醇的催化性能研究 37

第六章Pd、Au对纳米多孔PtSi形成及催化性能的影响 39

6.1 Pd、Au的添加对脱合金腐蚀速率的影响 39

6.2 Pd、Au的添加对纳米多孔Pt基金属形貌的影响 39

6.3 Pd、Au的添加对纳米多孔Pt基金属催化性能的影响 40

第七章 结论 43

致谢 44

参考文献 45

第一章 绪论

1.1引言

现阶段，能源问题日益加重，为了应对严峻的能源危机，越来越多的人将目光转向了燃料电池。而燃料电池的商业化也被誉为最有前景的解决现阶段日益增长的能源问题的方法，如能对燃料电池实现大规模的商业化应用，对于我们减缓传统能源的持续损耗，避免污染问题的进一步加重，都具有十分重要的借鉴意义。现在的燃料电池一般分为六种，即质子交换膜燃料电池（包含甲醇直接氧化燃料电池）、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和微生物燃料电池^[1]。燃料电池通过对氢气和有机物小分子（诸如乙醇、甲酸、甲醇或其它燃料分子）的电化学氧化产生电能，而其阴极氧还原反应（ORR）和阳极的氧化反应都发生在催化剂的表面。通过这一过程，燃料电池往往能在产生较少副产物的条件下提供较为充足的能量。

甲醇燃料电池、乙醇燃料电池是燃料电池中较为常见的两种类型。以甲醇燃料电池为例，

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：32608字