應(yīng)用于電解水和氧還原反應(yīng)催化劑的設(shè)計(jì)與合成.pdf

1、隨著對(duì)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)有限資源認(rèn)識(shí)的加深，為了減少對(duì)石油化工能源等不可再生資源的依賴，尋求并開發(fā)清潔、廉價(jià)、便捷、有效的能源供給方式已經(jīng)成為能源產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖的任務(wù)。近年來，針對(duì)各種低污染電池技術(shù)的研發(fā)方興未艾，尤其值得關(guān)注的是可再生的燃料電池、可充電重復(fù)利用的金屬-空氣電池、電解水等新能源技術(shù)。這些新能源技術(shù)都是以電化學(xué)催化過程為基礎(chǔ)，而電催化過程需要催化劑來降低反應(yīng)過程的能耗。
　　目前，電極催化劑多以貴重的鉑、銥和釕等金屬，

2、但是這些貴金屬在全球儲(chǔ)量有限，且價(jià)格相對(duì)昂貴，在很大程度上限制了新能源技術(shù)的發(fā)展。在這種情況下，設(shè)計(jì)新型高效催化劑迫在眉睫，新一代的催化劑既要降低鉑金屬材料的用量，又需要提高其對(duì)電化學(xué)的催化活性，尤其是單位質(zhì)量活性，并應(yīng)具有較好的耐久性。因此，制備高效合金催化劑和新型非貴金屬催化劑（如鈣鈦礦）成為了人們研究的熱點(diǎn)，故本文的主要工作旨在合成具有高電導(dǎo)率和活性位點(diǎn)豐富的鈣鈦礦型氧化物和Pt-Cu合金納米催化劑，并研究它們?cè)陔姶呋蠎?yīng)用。本文

3、總共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下:
　　第一章，我們首先簡(jiǎn)要介紹了電化學(xué)催化的背景;然后總結(jié)了電化學(xué)催化中電解水產(chǎn)氫氣、產(chǎn)氧氣和氧還原三個(gè)反應(yīng)的基本機(jī)理，以及如何評(píng)價(jià)電化學(xué)催化劑的性能;最后，綜述近些年來電化學(xué)催化方向取得的重要進(jìn)展，主要介紹通過調(diào)控貴金屬納米催化劑的形貌、尺寸以及組成，改善催化劑的電化學(xué)性能，并探討了鈣鈦礦以及類鈣鈦礦催化劑對(duì)電化學(xué)催化的影響。
　　第二章，我們介紹了具有五重對(duì)稱性的多級(jí)分支準(zhǔn)十二面體Pt-

4、Cu納米合金的合成方法，并發(fā)現(xiàn)了KI的用量以及Pt和Cu前驅(qū)物的配料比是能成功合成此材料的關(guān)鍵所在。多級(jí)分支準(zhǔn)十二面體Pt-Cu納米合金表現(xiàn)出很高的電催化HER性能，優(yōu)于商用的Pt/C催化劑。孿晶缺陷以及多級(jí)框架結(jié)構(gòu)是提高材料催化性能的根本原因。
　　第三章，我們通過液相超聲剝離的方法合成具有氧缺陷修飾的WO3，發(fā)現(xiàn)其氧缺陷的存在造成了W的價(jià)態(tài)從6+下降到5+，而且鎢原子的配位數(shù)也明顯下降。通過電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)具有氧缺陷修飾的WO3

5、的性能優(yōu)于WO3 bulk且接近于商用Pt/C催化劑，這很可能是因?yàn)檠跞毕菡{(diào)控了鎢原子的電子結(jié)構(gòu)，造成氫吸附自由能接近于零，所以催化活性獲得提高。
　　第四章，我們通過溶膠-凝膠法合成了帶有氧缺陷的雙鈣鈦礦氧化物和其對(duì)應(yīng)的單鈣鈦礦氧化物，我們發(fā)現(xiàn)雙鈣鈦礦氧化物的具有雙功能的催化特性:電解水產(chǎn)氧氣和電催化氧氣還原。雙鈣鈦礦氧化物改善了單鈣鈦礦氧化物的單一催化性能，而且在穩(wěn)定性上有很大的提高。這歸結(jié)于雙鈣鈦礦具有較高的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的結(jié)