NiAu基納米催化劑在電催化中的應(yīng)用.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源（煤、石油、天然氣等）已經(jīng)不能滿足人們對能源的需求，同時傳統(tǒng)能源的使用會對環(huán)境造成污染和破壞。為了解決能源和環(huán)境問題，本文研究了以NiAu納米顆粒為基礎(chǔ)的電催化劑在氫析出反應(yīng)（HER）、氧還原反應(yīng)（ORR）和CO2還原反應(yīng)中的應(yīng)用。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、旁贖ER方面，發(fā)展了一種通用的、能夠合成單分散NiAu納米顆粒的共還原方法，即在220℃條件下采用溫和的還原劑油胺溶劑和保護(hù)劑油酸共還原Ni

2、(acac)2(acac= acetylacetonate)和HAuCl4?3H2O獲得納米顆粒。通過在0.5M H2SO4溶液中測試，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過在0.6-1.0V電化學(xué)加速循環(huán)之后，NiAu納米顆粒會轉(zhuǎn)化成一種 NiAu/Au核殼納米顆粒；同時，這種核殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒展現(xiàn)出了與傳統(tǒng) Pt催化劑相似的HER性能和非常好的電化學(xué)穩(wěn)定性。通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，高性能HER電催化活性來源于在殼表面形成的具有低配位數(shù)的Au位點(diǎn)。該合成方法不

3、僅限于合成NiAu納米顆粒，同時還可以用來合成 FeAu和CoAu納米顆粒。因此，采用我們的通用合成方法可以合成一系列與傳統(tǒng)Pt催化劑性能相比較的納米MAu/Au HER電催化劑。
　?、茖RR來說，解除質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)業(yè)化瓶頸的主要手段是提高催化劑的活性并降低貴金屬 Pt的用量，以及提高Pt催化劑的電化學(xué)穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步改善燃料電池陰極催化劑的ORR催化活性和穩(wěn)定性，我們首次提出了一步合成同時具有核殼和一維納米線結(jié)構(gòu)的納

4、米顆粒催化劑的方法。首先合成10 nm左右的NiAu納米顆粒作為內(nèi)核，然后在其表面包裹一層很薄的FePt納米殼的同時再在FePt的納米殼表面生長出超細(xì)的一維 FePt納米線。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，這種同時具有核殼結(jié)構(gòu)和一維納米線結(jié)構(gòu)的納米催化劑能夠有效地提高催化劑的ORR催化活性和穩(wěn)定性。ORR的半波電位較傳統(tǒng)FePt納米催化劑提高了40 mV左右，催化比活性由0.3 mA cm-2提高到了2.12 mA cm-2，說明了雙結(jié)構(gòu)納米顆粒能

5、夠改善其催化性能。
　?、浅晒χ苽淞瞬煌壤哪軌驊?yīng)用于CO2電化學(xué)還原的NiAu納米催化劑，并得到了產(chǎn)物可控的氣相和液相產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)，3nm的Ni催化劑對CO2催化還原能產(chǎn)生一些碳?xì)浠衔?，但是其法拉第電流效率較低，主要產(chǎn)物為 H2而沒有CO的產(chǎn)物的產(chǎn)生。而在3nm的Ni表面包裹一層 Au之后，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)率在增加的同時還觀察到了少量的CO產(chǎn)生；當(dāng)進(jìn)一步采用NiAu納米顆粒作為催化劑時，碳?xì)浠衔锖虲O產(chǎn)率均變