金屬玻璃脫合金化製備燃料電池用納米多孔催化劑

《金屬玻璃脫合金化製備燃料電池用納米多孔催化劑》是依託東南大學，由曾宇喬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬玻璃脫合金化製備燃料電池用納米多孔催化劑
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：曾宇喬
• 依託單位：東南大學

中文摘要

燃料電池的迅猛發展對催化材料提出了更高要求。具有高比表面積的納米多孔金屬（NPM）是高效催化的一種理想材料。脫合金法能在室溫大氣狀態下以固溶體或金屬間化合物為預合金，製備出性能優良的NPM，但預合金體系相當有限，為尋求多元高效NPM設定了嚴重的障礙。針對這一問題，本項目將脫合金法與新型單相材料金屬玻璃相結合，引入密度泛函理論計算，開拓一條高效易行、製備優質多元PNM催化材料的新途徑。這不僅對推動燃料電池向高效率低成本方向發展具有重大現實意義，且將促進材料學、化學及理論數值模擬的相互交叉滲透發展，豐富相關研究領域的基礎理論，具有重大學術價值。

結題摘要

本文通過以密度泛函理論（DFT）為基礎的計算方法，計算了一系列簡化的團簇模型。計算結果表明Pd-Ni，Pd-Fe，Pd-Pt，Pd-Pt-Ni，Pd-Cu-Ni 以及Pd-Cu-Pt-Ni 的催化活性明顯高於純Pd，部分成分的催化活性已經達到純Pt的催化水平。試驗結果表明，控制電壓或預合金成分可以控制脫合金樣品的成分和孔徑尺寸。（1）對於PdNi納米多孔金屬製備，當PdNiP金屬玻璃成分一定時，腐蝕電壓越小，孔徑越均勻、細小。Ni40Pd40P20較難被腐蝕，脫合金樣品的Ni含量最低，孔徑最小，而Ni70Pd10P20脫合金樣品的Ni含量較高，孔徑較大。在獲得的納米多孔金屬中，Ni/Pd相近時，孔徑越細小、均勻，能夠提供的活性位點越多，催化性能越好，而孔徑相近時，Ni/Pd越小，催化性能越好。Ni60Pd20P20脫合金樣品的孔徑細小、均勻，並且其Ni含量較低，因而其催化活性是所製得樣品中最高。循環5000次後的循環伏安曲線與第一次掃描的循環伏安曲線基本重合。說明納米多孔鈀鎳催化劑具有較高的穩定性。（2）對於PdNiCu納米多孔金屬製備，同一成分的非晶條帶，腐蝕電壓越小，孔徑越均勻、細小。Pd含量一定的情況下，預合金的耐蝕性與Ni/Cu比有關，Ni/Cu在一定範圍內，合金的耐蝕性增加。Pd30Ni10Cu40P20預合金在800mV電壓下腐蝕得到的催化劑催化活性最高，並且在此電壓下製得的催化劑穩定性高於Pd/C催化劑。納米多孔鈀中加入適量的Ni、Cu提高了Pd的催化活性。Ni以及Cu作為雜質原子埋植於Pd原子的環境中，引起的電子效應(即d-band電子移動)是這類合金催化劑催化活性提高的內在因素。（3）將Pd10Ni50Co20P16B 在0.8mol/L H2SO4+0.2mol/L H3PO4中脫合金，製備PdNiCo催化劑。樣品孔徑隨電壓增加，呈先下降後上升趨勢。所獲得的脫合金對甲酸的催化活性均高於Pd/C催化劑，同時催化穩定性均高於Pd/C催化劑，說明Ni、Co添加可以增加Pd的催化活性及穩定性。