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直接乙醇燃料电池(direct ethanol fuel cell,DEFC)中燃料乙醇能够从生物质原料中大量生产,无毒、沸点较高,且具有比甲醇更高的能量密度。另外,其燃料供应系统可与现有的加油站兼容,因此,DEFC在小型便携式电子设备和电动汽车等方面展示出美好的发展前景。目前,醇类燃料电池Pt或Pd基电催化剂存在着易于毒化、耐久性差、价格昂贵等难题,开发高性能DEFC用非贵金属催化剂材料称为人们研究的热点。本论文采用镍铁水滑石(NiFe-LDHs;Ni/Fe = 3:1)作为前驱体材料,在一定的温度下经过氢气还原处理,制备了限域结构金属合金/氢氧化物纳米复合材料:Ni3Fe/NiFe(OH)x。采用多种表征技术研究了纳米复合物材料的组成、微观结构、元素价态等性质,研究了不同还原温度对于材料结构的影响,推测了 Ni3Fe/NiFe(OH)x纳米复合材料的形成过程机制。在此基础上,论文采用镍铁钌水滑石(NiFeRu-LDHs;Ni/Fe/Ru = 3:1:0.01)作为前驱体材料,经过氢气还原处理制备了限域结构金属合金/氧化物纳米复合材料:Ni3FeRu/NiFeOx。研究了主体层板中Ru的加入对NiFeRu-LDHs还原过程的影响。最后,论文将制备的样品作为电催化剂材料应用于乙醇氧化反应,探究了催化剂结构与乙醇电催化反应性能之间的构效关系。主要的研究内容和研究结果如下:(1)采用NiFe-LDHs作为前驱体材料,经过氢气还原制备了Ni3Fe/NiFe(OH)x纳米复合材料,表征结果显示,Ni3Fe合金纳米粒子限域于弱结晶NiFe(OH)x基体之中,Ni3Fe粒子大小约为3nm。深入研究了不同还原温度对于材料结构的影响。发现,在氢气还原温度低于200℃时,NiFe-LDHs结构的塌陷导致形成镍铁复合氢氧化物NiFe(OH)x;此时,Ni3Fe合金相被还原析出,符合“拓扑转化”机制。随着还原温度提升至250℃,Ni3Fe合金粒子逐渐长大,生成Ni3Fe/NiFe(OH)x纳米复合材料。而当还原温度到达350℃时,样品基体中有少量的镍铁氧化物NiFeOx生成。伴随着还原温度继续升高至450℃,样品中的NiFeOx开始被还原,最终生成Ni3Fe合金粒子。(2)将不同还原温度下制备的样品应用于乙醇氧化反应,并与NiFe-LDHs原粉样品比较。发现不同还原温度下制备的样品均具有比NiFe-LDHs原粉样品高的电催化活性;还原温度250℃时制备的Ni3Fe/NiFe(OH)x样品表现出最优的电催化活性(在乙醇中的电流密度为7.103mA·cm-2)。这归结于催化剂样品中Ni3Fe相和NiFe(OH)x相之间的协同作用。通过进一步测试该样品的电催化性能,探究了催化剂结构与乙醇电催化反应性能之间的构效关系。推测NiFe(OH)x相作为乙醇电催化活性位点,有利于产生活性Ni2+/Ni3+氧化还原对;同时,其丰富的结构羟基能够促进乙酰基的脱附。而Ni3Fe相则可能有助于乙醇分子的解离活化,同时能够促进催化过程中电子的转移。(3)采用NiFeRu-LDHs作为前驱体材料,经过氢气还原制备了核壳结构NiFeOx@Ni3FeRu纳米复合材料。表征结果显示,Ni3FeRu合金粒子核尺寸约为50nm,而NiFeOx壳层约有5nm厚。研究发现,主体层板中Ru的加入加速了 LDHs的还原过程。推测样品中Ru首先被氢气还原出来;由于“氢溢流”效应,Ni3Fe粒子随之生成。此时,样品为限域结构金属合金/氢氧化物纳米复合材料Ni3FeRu/NiFe(OH)x。随着还原温度提升至400℃,样品中Ni3FeRu粒子逐渐长大;而NiFe(OH)x相逐渐转化为NiFeOx,形成核壳结构NiFeOx@Ni3FeRu纳米复合材料。当还原温度升高到450℃,则生成Ni3FeRu合金粒子。(4)将不同还原温度下制备的样品应用于乙醇氧化反应,并与NiFe-LDHs原粉样品比较。发现还原温度400℃时制备的核壳结构NiFeOx@Ni3FeRu样品表现出最优的电催化活性(在乙醇中的电流密度为8.789mA·cm-2)。这可能是由于金属合金相与氧化物相之间的界面效应,进一步提高了乙醇的催化活性。而合金粒子中Ru可能有助于Ni3Fe相解离活化乙醇分子。