燃料电池电催化剂催化机理和可控制备

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1、MechanismandSynthesisofElectrocatalystforPEMFCAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByXueqiangQiSupervisedbyProf.ZidongWeiCo-supervisor:Prof.PhilippeSERPM.RosaAXET(CR)Specialty:ChemicalEngineeringandTechno

2、logyCollegeofChemistryandChemicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2012中文摘要摘要燃料电池因具有高效能和环境友好等优点而成为最有发展前途的一种电池。但当前所使用的电极催化剂以Pt为主，价格昂贵，要真正实现燃料电池的商业化，设计和寻找有效的低Pt和非Pt催化剂势在必行。本文主要结合当前的研究现状，从揭示电极反应的机理入手，针对当前研究存在的不足，做了以下四方面的工作：1）利用DFT方法研究了不同介质中甲醇在Pd(111)面的催化

3、反应机理；2）探究了H在Pd(111)面的吸附、迁移和渗透行为及H的亚层吸收对于催化剂本身性质的影响；3）解析了氧还原反应在MPt^双金属催化剂表面的反应机理；4）利用连续有机金属法制备了不同形貌的双金属PtRu催化剂。旨在于为催化剂的设计和合成提供一定的理论基础和实验指导，为推动燃料电池事业的发展贡献一点微薄之力。首先，针对当前甲醇氧化反应机理模拟主要限于理想真空体系的问题，建立了不同介质中甲醇分子在Pd/溶液界面的吸附和反应理论模型，利用DFT方法研究了Pd对甲醇分子的催化活性。结果表明：中性介质中，Pd对甲醇分子不具有催化活性，甲醇分

4、子的OH与水分子形成稳定的界面六边形氢键体系，甲醇分子的吸附-1能因氢键的生成而增大28.20kJmol。酸性介质中，由于H质子的引入，界面层内-发生质子转移，形成水合H离子和局域强氢键；同时，六边形氢键体系由于Cl的引入而遭到破坏，体系能量降低，但甲醇分子内部键长保持不变，Pd对甲醇氧化也不具有催化活性。碱性介质中，规则六边形氢键体系因甲醇活化而破坏，但会有新的紧缩六边形氢键体系生成；甲醇分子以伸长O-H键或甲氧基的形式存在，体系能量明显降低，Pd对甲醇表现出较好的催化活性。其次，针对阳极氧化反应中H在催化剂表面的吸附、跃迁和渗透行为，及

5、其对催化剂性质的影响缺少系统理论解析的现状，利用DFT方法研究了不同覆盖度下H在Pd(111)表面吸附、亚层吸收和体相渗透等行为的热力学和动力学性质。结果表明：H覆盖度为0.25ML时，H原子优先形成表面三重空位FCC和HCP的吸附，并且可在表面top位及亚层OSS和TSS位稳定存在，但不能稳定吸附于bridge位。当H覆盖度低于1.00ML时，Pd(111)最外层Pd原子的皱褶效应较小，超过1.00ML时，皱褶效应明显增大，并在1.50ML时达到最大值0.087Å。PDOS研究表明Pd-H间的作用会使Pd(111)表面最外层Pd原子的d能

6、带分裂，随着氢覆盖度的增加，Pd(111)最外层原子的d电子态密度火山峰值增大，而d带中心则降低，并导致相应的H-Pd作用减弱。H在Pd(111)面的亚层吸收会使Pd(111)的催化性能略微下降。再次，从低Pt催化剂设计和氧还原反应机理解析的角度出发，研究了元素周期表中以三个近Pt元素Ir、Pd和Au为基底金属，表面Pt单层覆盖的MPt^双金属的催化I重庆大学博士学位论文氧还原反应机理。利用DFT方法计算了ORR过程中O2的吸附与解离，以及两个中间物种O和OH在IrPt^、PdPt^和AuPt^(111)面的吸附情况，并与单金属Pt(111

7、)面作了比较。发现O和OH的结合能都随着d带中心的增大而增大，IrPt^、PdPt^和AuPt^按照基底金属在元素周期表中的排布，对ORR催化过程中O2解离反应的活化能和中间产物O原子的吸附能的影响符合BEP关系，IrPt^、PdPt^和AuPt^对ORR的催化活性呈现出其在元素周期表中的火山关系。表面应力效应、电荷转移和PDOS对于d带中心影响的研究表明：表面压力导致d带中心远离费米能级，而表面张力则导致d带中心移向费米能级。对于IrPt^而言，电子自表层Pt流向基底金属Ir，表层Pt原子的d电子减少，使d电子平均密度降低，进而导致d带中

8、心远离Fermi能级；而PdPt^和AuPt^则发生Pd、Au电子流向表层Pt的现象，使Pt的d带中心移向Fermi能级。表面应力效应跟电子配位效应同时影响d带中心的性质，但是表