Pd基催化剂的等离子体气相法制备与甲酸电催化氧化性能

Pd-based catalyst is considered to be the most ideal anode catalyst for the commercial application of direct formic acid fuel cell (DFAFC). However, there are still some difficulties in the simple preparation of efficient, stable and clean nanoparticle catalyst, and it is urgent to carry out innovative research on new preparation technology and regulatory means. In this project, Pd-M (Co, Ni, Cu) bimetallic alloy nanoparticles with size uniformity, particle size controllable and good dispersion though a self-designed plasma-gas-condensation cluster beam deposition technique, and then in-situ modified on carbon film prepared by conventional magnetron sputtering in many ways. Finally, a series of high-efficiency and durability carbon supported Pd anode catalysts are obtained for formic acid electro-oxidation. The effect of particle size, substrate temperature, particle composition and carbon film composite mode on the formic acid electro-oxidation will be systematically studied. Therefore, this project focuses on the problem and solution of low catalytic activity and durability of DFAFC anode catalyst, and provides experimental foundation and theoretical basis for the application of DFAFC.

Pd基催化剂被认为是直接甲酸燃料电池商业化应用最理想的阳极催化剂，然而简单制备高效、稳定、洁净的纳米颗粒催化剂还存在一定的困难，迫切需要以新的制备工艺和调控手段来开展创新性研究。本项目拟采用自主设计的纳米粒子束流沉积系统合成粒径均一、粒径可控、分散性良好的Pd-M（Co、Ni、Cu）双金属合金纳米粒子，并与常规磁控溅射制备的碳薄膜以多种方式原位复合在一起，获得一系列所需要的碳载Pd基催化剂，应用于甲酸电催化氧化，提升催化剂的催化效率和耐久性。通过系统研究颗粒大小、基片温度、颗粒成分及与碳薄膜的复合方式等对甲酸电催化氧化性能影响规律，寻求解决直接甲酸燃料电池阳极催化剂催化活性低和耐久性差的途径，为Pd-M双金属纳米粒子催化剂在直接甲酸燃料电池中的应用提供实验基础和理论依据。

开发高效、稳定的双金属Pd基阳极催化剂用于甲酸氧化（FAO）对于直接甲酸燃料电池（DFAFCs）的商业应用具有重要意义。然而，简单制备高效、稳定、洁净的纳米颗粒催化剂还存在一定的困难，迫切需要以新的制备工艺和调控手段来开展创新性研究。本项目拟采用自主设计的纳米粒子束流沉积系统合成粒径均一、粒径可控、分散性良好的Pd-M（Co、Ni、Cu）双金属合金纳米粒子，获得一系列所需要的Pd基催化剂，应用于FAO，提升催化剂的催化效率和耐久性。Cu的引入可以调节Pd的电子结构和d带中心，提高催化剂的催化性能。与Pd NCs催化剂相比，PdCu NCs催化剂大大提高了对FAO的催化耐久性和活性。其中Pd85Cu15 NCs催化剂的质量活性最大，约为Pd NCs催化剂的1.7倍。循环50次后，Pd85Cu15 NCs催化剂仍保持最高的催化电流密度，表明Pd85Cu15 NCs催化剂具有最佳的耐久性和电催化活性。Ni和Co的加入同样能有效提高Pd基催化剂的催化活性和耐久性。制备的PdNi和PdCu NCs催化剂纳米颗粒尺寸在4-5 nm之间，当过渡金属Ni或Co的原子比例接近10%时，催化剂的质量活性和比活性最好。PdNi-2 (Pd0.9Ni0.1)和PdCo-3 (Pd0.89Co0.11)在各自成分比例的催化剂中催化活性最好，质量活性分别为1491.48 A g-1Pd和1401.67 A g-1Pd，分别是Pd NCs催化剂的2.1倍和2倍。在最佳金属配比下，利用Pd和过渡金属M（Cu、Ni、Co）的协同作用，得到了催化活性最佳的催化剂，这将有助于开发廉价、高效、耐用的催化剂。本项目的工作为DFAFCs高效阳极催化剂材料的设计提供了新的思路。