Pt基合金-石墨烯納米復(fù)合材料的制備及其電催化性能研究.pdf

1、燃料電池的廣泛應(yīng)用將會帶來新一代的綠色能源革命，在燃料電池大家庭中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、清潔無污染、操作溫度低以及使用方便等優(yōu)點而成為當代社會的研究熱點。在PEMFC中，O2在陰極催化劑作用下發(fā)生的氧還原反應(yīng)（ORR）是影響其性能的主要反應(yīng)，因此，陰極電化學(xué)催化劑是PEMFC中的關(guān)鍵材料之一。PEMFC中研究最廣泛的陰極電催化劑主要是Pt/C催化劑，然而貴金屬Pt不僅資源有限，而且在低溫氧化反應(yīng)時

2、，Pt容易被CO毒化，嚴重制約了PEMFC的商業(yè)化應(yīng)用。在Pt催化劑中引入其他過渡金屬元素（Fe、Co和Ni）形成鉑基合金材料，既降低催化劑的成本，又可以改變Pt的晶體結(jié)構(gòu)，提高其催化性能和穩(wěn)定性。此外，選擇合適的催化劑載體材料，也能夠有效的提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。石墨烯由于其獨特的電子和力學(xué)等性能，被公認為是一種理想的催化劑載體。因此，探討了二元合金PtM(M=Co,Ni)/石墨烯和三元合金PtFeCo/石墨烯納米復(fù)合材料的合成，并

3、對其催化ORR的性能和穩(wěn)定性進行了研究，主要內(nèi)容如下：
　　1）通過改進的Hummers法制備了氧化石墨；通過溶劑熱法一步合成了二元合金PtM(M=Co,Ni)/r-GO納米復(fù)合材料和三元合金PtFeCo/r-GO納米復(fù)合材料。通過各種表征方法（HRTEM、XRD、ICP、Raman、EDS和 XPS）對材料的物相、結(jié)構(gòu)、組成和表面狀態(tài)進行表征。結(jié)果顯示：大部分氧化石墨（GO）被還原為石墨烯（rG-O），實現(xiàn)了PtCo、PtNi和

4、PtFeCo合金納米粒子在石墨烯上的均勻負載。
　　2）對于二元合金PtM(M=Co,Ni)/r-GO和三元合金PtFeCo/r-GO納米復(fù)合材料的合成，研究了各種反應(yīng)參數(shù)，如還原劑、金屬鹽比例、GO的含量和表面活性劑等，對納米粒子的粒徑、形貌以及負載情況的影響。實驗結(jié)果表明：還原劑的加入對于PtCo和PtNi納米粒子在石墨烯表面的分布密度、形貌和尺寸都有影響；PtFeCo納米粒子在石墨烯表面的負載形態(tài)與金屬鹽以及表面活性劑的含量

5、有關(guān)。
　　3）對所制備的PtM(M=Co,Ni)/r-GO和PtFeCo/r-GO納米復(fù)合材料的電化學(xué)性能進行測試（CV、ORR和穩(wěn)定性測試），并與商業(yè)Pt/C(20 wt％Pt)進行比較。結(jié)果顯示：對于二元合金PtM(M=Co,Ni)/r-GO來說，其電催化活性面積比較相近，大約為Pt/C(20 wt％Pt)活性面積的1/3；反應(yīng)體系中加入還原劑，會降低PtM(M=Co,Ni)/r-GO的催化活性；三元合金PtFeCo/rG-

6、O-Lys和PtFeCo/rG-O來說，加入表面活性劑后，催化活性面積接近0；所合成的樣品PtM(M=Co,Ni)/r-GO和PtFeCo/r-GO的循環(huán)穩(wěn)定性均優(yōu)于商業(yè)Pt/C(20 wt％Pt)。
　　綜上所述，在本論文中通過溶劑熱法一步成功制備了PtM(M=Co,Ni)/r-GO和PtFeCo/r-GO納米復(fù)合材料，并對其催化ORR的活性進行評估。該合成方法簡便且成本低廉，通過進一步優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)，可制備具有更優(yōu)異催化性能的其