Pd基纳米材料的合成及电催化性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

伴随着全球经济和科技的高速发展，人们对能源的需求越来越大，Ｍ.islam等人预测到2030年，能源的消耗量将增长到2015年的132％，其中化石燃料占比高达80％以上。但石油、煤、天然气等化石能源均为不可再生能源，过度开发与利用已导致其储量日益枯竭，此外化石燃料燃烧所导致的环境污染与气候变化已成为我们亟需解决的难题，因此开发环境友好型的新能源技术对缓解能源危机、解决气候问题具有重要的意义。在众多新能源技术中，燃料电池由于其能量密度大、转换效率高、环境友好及燃料多样化等特性，引起科学家们的广泛关注。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的高效、电化学发电装置，其过程不涉及燃烧，因此能量转换效率不受卡诺循环的限制，高达40%-60%，基于此，燃料电池技术是目前的研究热点。

燃料电池本质上是电解水的“逆”过程，通过燃料和氧化剂在催化剂作用下发生氧化还原反应释放电能。虽然不同类型燃料电池的电极反应不同，但其工作原理相同，由阴极、阳极、电解质和外电路组成。以质子交换燃料电池为例，阳极为氢电极，阴极为氧电极，均负载有一定催化剂，阳极上氢气发生氧化，阴极上氧气或空气发生还原反应。

催化剂的催化性能是制约燃料电池效率的重要因素。pt基催化剂是当前效率较高的燃料电池催化剂，同时存在一些问题影响催化效率。研究发现燃料电池阳极反应过程中常会产生以co为代表的中间产物，co在pt电极表面以较强的化学吸附方式存在，占据催化剂活性位点，且只能在较高电位下氧化脱除，因此co的存在极大的阻碍了pt电极的电催化活性。 papageorgopoulos等研究发现co的含量为1%时，可覆盖大约95%的pt活性位点，会产生明显的催化剂中毒现象及电池性能的显著降低。由于贵金属铂较为稀少、价格高昂且易发生中毒现象导致电池性能不稳定，故寻求稳定性较高的非铂基催化剂作为燃料电池催化剂。研究发现，铂的同主族元素钯是合适的选择对象。pd纳米催化剂的催化性能与最外层电子结构（4d¹⁰5s⁰）密切相关，最外层电子很容易受到配位原子的影响而发生变化；而过渡金属的最外层或次外层轨道电子处于全空、半充满和全充满状态，容易失去电子或得到电子，过渡金属与金属pd之间容易发生电子转移，形成合金后可以明显改变pd外层电子排布状态，在“电子效应”和“晶格应力”作用下，使pd的d带中心降低，催化过程中电子转移所需的吉布斯自由能减少，对催化剂性能的提升有积极作用。此外，参与合金化的金属也会提供反应物或中间产物吸附活化位点而起到协同催化作用。近年来，通过合金化方式使得催化剂的活性和抗毒化能力得到很大提高。通过优化制备工艺，pd基合金纳米催化剂是一种能够满足电化学领域应用需求的优秀方案。因此，开发pd基合金纳米催化剂是燃料电池催化剂领域的研究热点。

2. 研究内容和预期目标

控制相关实验条件，制备钯基（pd-cu、pd-ag）双金属纳米合金材料。

对纳米合金进行tem、xps、表征产品形貌结构和元素组成及价态，并进行相应分析解读。

制备pd-cu、pd-ag工作电极，采用乙醇氧化反应检测电催化活性，分析测试图谱，得出关于材料性能的相关结论。

3. 研究的方法与步骤

1.钯基双金属纳米合金的制备

pd-cu、pd-ag的合成:

在9.00ml 水中加入0.18 ml pca-na，搅拌下加入0.20 ml的h₂pdcl₄（100mm），加入0.52 ml agno₃（38.6 mm）。然后将0.10 ml的水合肼逐滴加入悬浊液中，期间溶液迅速变黑，在25 ℃下持续搅拌反应 1 h。收集反应物，用水和乙醇离心洗涤干净。最后将产物在真空中烘干备用。

4. 参考文献

叶文莹. 钯基多元金属纳米晶的可控制备及电催化性能[d]. 浙江大学，2016

[2] 李林轩. 钯基纳米材料的制备及其在电催化中的应用[d].长春理工大学,2016.

[3] meng h, zeng d, xie f. recent development of pd-basedelectrocatalysts for proton exchange membrane fuel cells[j]. catalysts, 2015,5(3):1221-1274.

5. 计划与进度安排

1 (第一周) 接受任务，查阅论题相关文献，进行资料收集，了解论题所研究的背景以及研究目的，拟好开题报告的大纲。

2（第二－三周） 按照大纲开始编写开题报告，细化实验步骤并完成开题报告，同时开始英文文献的翻译工作，进入实验室检查药品以及仪器是否齐全，为毕业实验做好准备工作。

3（第四－十三周） 开始毕业论文实验， 对样品进行表征及电化学分析。