纳米多孔铂基催化剂制备及甲醇电氧化反应机理研究

本项目针对直接甲醇燃料电池中甲醇氧化催化剂活性差、成本高等关键问题，探索一种多孔纳米结构甲醇氧化电催化剂制备的快捷方法。利用酸性溶液中阴极电位下溶液中析出的氢气体为动态模板，制备具有高电化学活性面积、高比表面、低载量、对甲醇电氧化催化性能好的纳米结构新型多孔铂基电催化剂；通过电化学循环伏安、交流阻抗、原位红外反射光谱和电化学差分质谱等技术研究催化剂的构效关系以及对甲醇电氧化的反应动力学与机理；利用该方法在碳纸、硅基底上直接沉积制备分散均匀、载量低、比表面大、催化性能优越的多孔结构纳米铂基电催化剂，探索其在甲醇燃料电池以及微型甲醇燃料电池中的应用；同时，该研究通过对甲醇氧化反应机理的深入研究，将对直接甲醇燃料电池的发展具有积极的理论意义和实际应用价值。

项目针对直接液体（甲醇、甲酸）燃料电池中甲醇或甲酸氧化催化剂活性差、成本高等关键问题，探索设计与合成具有高催化活性、高稳定性纳米电催化剂及制备方法。取得的主要研究结果包括：（1）通过将Pt与非贵金属元素形成合金的方法，制备了Cu@Pt核壳结构的纳米颗粒，并与rGO（还原的氧化石墨烯）复合制备了甲醇氧化的阳极催化剂；Cu@Pt/rGO 比Cu@Pt/Vulcan XC-72具有更好的催化活性和稳定性，这主要得益于Cu@Pt核壳结构和还原氧化石墨烯载体特殊的物理性能；（2）结合Ni掺杂和多孔结构的优势，利用同时产生的氢气泡为动态模板，创新地使用氢气泡动态模板法成功地在玻碳电极上电沉积制备了具有三维多孔结构Pd及PdNi合金催化剂，多孔结构大大提高了催化剂的电化学活性面积而Ni掺杂修饰催化剂的电子结构，多孔Pd-Ni合金催化剂对甲醇电氧化表现出了很好的催化活性和稳定性；（3）以商业化的气相生长碳纤维（VGCF）作为碳源，通过对VGCF进行强酸半剥处理得到了部分剥开的气相生长碳纤维（puVGCF），并与Cu@Pt复合制备了甲醇氧化的阳极催化剂；（4）选用MoOx作为助剂，使用循环伏安法共沉积制备了一系列Pd-MoOx催化剂，研究了电沉积条件对催化剂的形貌、颗粒尺寸、化学组成、表面化学态、电化学活性面积以及催化性能等的影响；通过调节电沉积参数，筛选催化剂制备的最佳条件，获得对甲酸电氧化具有更好的催化活性和稳定性的Pd-MoOx催化剂，催化性能的提高归因于由小颗粒的微孔结构，氢溢出效应和独特的元素分布；（5）选择Ni作为助剂，使用超声波辅助液相还原法制备了一系列Pd-Ni/MWCNTs催化剂，通过调节Pd、Ni比例，筛选出具有最优性能的催化剂，PdNi/MWCNTs 具有最好的电催化性能，主要归因于电化学活性面积的提高及Ni的掺杂修饰了催化剂的电子结构。