【摘 要】
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实现铂（Pt）原子利用率的最大化对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工业规模商业化至关重要。对于Pt纳米颗粒来说,其比活性随尺寸减小而单调减小,尺寸优化受到尺寸效应的限制;但是对于直径小于3 nm的超细Pt基纳米线（nanowires,NWs）来说,其比活性随直径减小而提高,受尺寸效应限制较小。而目前,对于Pt基纳米线的研究主要集中于提升其氧还原反应（ORR）性能,对于提升其性能的主导因素以及异
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实现铂（Pt）原子利用率的最大化对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工业规模商业化至关重要。对于Pt纳米颗粒来说,其比活性随尺寸减小而单调减小,尺寸优化受到尺寸效应的限制;但是对于直径小于3 nm的超细Pt基纳米线（nanowires,NWs）来说,其比活性随直径减小而提高,受尺寸效应限制较小。而目前,对于Pt基纳米线的研究主要集中于提升其氧还原反应（ORR）性能,对于提升其性能的主导因素以及异于Pt纳米颗粒的尺寸效应尚缺乏深入的探讨。基于此,本论文以Pt基纳米线（＆lt;3 nm）为研究对象,通过原子尺度的精准调控,探寻ORR中PtNWs性能提升的主导因素及异于Pt纳米颗粒的尺寸效应的本质。随后,通过在炭黑（CB）及氧化石墨烯（GO）载体上原位生长Pt-M NWs（M=Ni、Mo）,简化Pt基纳米线制备工艺的同时优化其ORR性能,推进超细Pt基纳米线催化剂的商业化。首先,本论文采用油相合成法,通过调节前驱体用量、合成温度等因素实现超细PtNWs尺寸的精确调控,制备出不同尺寸的PtNWs。ORR测试结果表明,所合成的三种不同直径（1.1、1.5及2.4 nm）的PtNWs都表现出优于商业Pt/C的ORR催化性能,且其催化性能随直径的减小而提高。结构分析及理论计算结果表明,PtNWs催化性能的提升来源于压缩应力的增大。此外,在PtNWs中,压缩应力对催化性能的影响大于低配位数,而在Pt纳米颗粒中,低配位数的影响大于压缩应力。因此,由于压缩应力在超细PtNWs催化过程中起主导作用,使得PtNWs表现出异于Pt纳米颗粒的尺寸效应。此外,面向传统ORR催化制备过程繁琐,不利于工业化生产应用这一问题,本论文采用原位生长法,通过对组分以及载体进行调控,成功在碳载体上制备出PtNWs@CB、PtNiMo NWs@CB、PtNWs@GO以及PtNiMo NWs@GO这四种催化剂。ORR测试结果表明,PtNiMo NWs@CB的催化性能要优于商业Pt/C和其它三种催化剂的性能,表现出较大的潜在工业应用价值。本论文深入理解了原子尺度超细PtNWs在ORR催化中异于Pt纳米颗粒的尺寸效应的本质;同时,利用原位生长方法引入载体,在确保良好ORR催化性能的同时简化了Pt基纳米线催化剂的制备过程。本论文中的研究结论对于深入理解PtNWs在ORR中的催化机理具有重要的借鉴意义,也为Pt基纳米线催化剂的理性设计及实际应用提供了参考。
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