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铂基铜（镧）催化剂薄膜材料的结构及电化学性能研究

作　者: 莘明哲
导　师: 杨滨
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料物理化学
关键词: Pt基催化剂 过渡金属 PtCu核壳结构 稀土助剂 电化学性能
分类号: TB383
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 41次
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内容摘要


贵金属Pt基催化剂在石油、化工、能源等诸多领域有着广泛的应用。本文从环保与能源的角度,对Pt基催化剂在汽车尾气净化催化的应用,以及在氢能源的制取和应用环节的作用作出阐述。针对Pt基催化剂在研发及应用过程中面临的制约因素,如使用寿命、稳定性及性价比等,开展了对载体型Pt基催化剂的深入研究。本文的研究方向主要集中在降低载铂量、提高催化活性及稳定性。目前的Pt基二元合金催化剂的研究中,掺杂的过渡金属包括Ru、Fe、Co、Ni、Os等,均表现出优异的性能。这是由于过渡金属掺杂后与Pt主相形成合金,在合金化过程中,过渡金属的d带空穴的存在,使催化相具有从外界接受电子或吸附物种并与之成键的能力,提高了催化反应活性；稀土助剂的研究同样备受关注。稀土氧化物与贵金属和过渡金属在混合作用时,展现出很好的协同效应。已知其的协同效应包括增加催化剂的贮氧和放氧能力,增加催化剂的热稳定性及增加晶格氧的流动性,还表现出稳定其它金属离子的氧化价的功能,但对稀土助剂的助催化机理的研究仍未达成共识。因此本文中针对掺入过渡金属Cu及稀土助剂LaOx的助催化作用分别进行了探讨。本文试验中通过高真空多功能离子束溅射和电子束蒸发镀膜设备,应用物理气相沉积技术中的离子束溅射法进行薄膜的制备,分别制备了以炭纤维布及单晶硅为载体,掺入Cu及稀土助剂LaOx的系列Pt基催化薄膜。通过XRD进行了物相结构分析,应用SEM和HRTEM进行了薄膜表面形貌的观察及能谱成分表征,采用XPS对薄膜表面成分和化学价态进行分析,通过电化学分析方法进行了析氢性能的测试。论文的主要工作包括以下方面：(1)在针对Cu元素对Pt基催化膜的研究试验中,通过控制Cu元素的掺杂量以及不同的热处理温度,成功制备了合金化程度不同的样品,对过渡金属Cu元素在合金化进程中提升催化反应活性的作用进行了探讨。制备的合金化程度较高的Pt-Cu二元合金样品表现出较为优良的电化学析氢性能。(2)试验中使用稀酸煮制的方法对PVD技术制备的PtCu合金膜层进行表面去合金化的处置。通过对酸处理工艺的摸索,初步完成了PtCu核壳结构膜层的制备,制备出的局部去合金化样品在HRTEM的形貌表征下可见到外部紧缩的壳层包覆着PtCu合金的内核。在CV及LSV分析中表现出优异的催化反应活性。对降低Pt载量的同时进一步提升性能的研究提供了有益的探索。(3)针对稀土助剂LaOx的研究中,通过掺杂共沉积的方式制备了近距离接触的Pt-LaOx的载体型膜层样品。在XPS的研究中发现,在La与Pt的相互作用中,Pt向LaOx转移电子,在样品膜层表面产生大量的0-离子。这与O空位模型较为类似,对稀土助剂的助催化机理进行了探讨。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章 前言  9-29
  1.1 课题研究背景及意义  9-20
    1.1.1 环保与Pt基催化剂  9-13
    1.1.2 新能源与Pt基催化剂  13-20
  1.2 Pt、La、Cu元素概述  20-23
    1.2.1 贵金属Pt概述  20-21
    1.2.2 稀土元素La概述  21-22
    1.2.3 掺杂元素Cu概述  22-23
  1.3 Pt基催化剂的催化机理  23
    1.3.1 电子效应  23
    1.3.2 几何效应  23
    1.3.3 载体效应  23
  1.4 Pt基催化剂的制备技术  23-26
    1.4.1 化学方法  24-25
    1.4.2 物理方法  25-26
  1.5 课题研究背景及主要内容  26-29
第二章 实验部分  29-40
  2.1 实验试剂材料及仪器设备  29-30
    2.1.1 实验试剂及材料  29
    2.1.2 实验仪器  29-30
  2.2 催化剂样品薄膜的制备  30-36
    2.2.1 制备原理  30-32
    2.2.2 制备流程  32-36
  2.3 催化剂样品的电化学性能测试  36
  2.4 催化剂样品薄膜的表征  36-40
    2.4.1 X射线衍射(XRD)  36-37
    2.4.2 扫描电子显微镜(SEM及EDS)  37-38
    2.4.3 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)  38
    2.4.4 X光电子能谱分析(XPS)  38-39
    2.4.5 电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)  39-40
第三章 铜元素对Pt基催化剂的影响  40-63
  3.1 Cu元素含量对PtCu双金属催化剂的影响  40-47
    3.1.1 物相成分分析  41-45
    3.1.2 电化学性能分析  45-47
  3.2 热处理对PtCu合金催化膜的影响  47-53
    3.2.1 物相成分分析  48-51
    3.2.2 微观形貌分析  51-53
  3.3 酸处理对PtCu合金催化膜的影响—核壳结构  53-62
    3.3.1 去合金化前后样品的电化学性能分析  56-57
    3.3.2 去合金化前后样品的宏观成分分析  57-59
    3.3.3 去合金化前后样品的微区成分及结构分析  59-62
  3.4 本章小结  62-63
第四章 稀土助剂LaO_x对Pt基催化剂的影响  63-77
  4.1 稀土助剂LaO_x对催化剂颗粒度的影响  63-67
    4.1.1 物相分析  63-64
    4.1.2 成分含量分析  64-65
    4.1.3 形貌分析  65-67
  4.2 稀土助剂LaO_x对催化剂的热稳定性的影响  67-68
  4.3 稀土助剂LaO_x的助催化机理  68-75
    4.3.1 Pt4f峰精细拟合  70-72
    4.3.2 La3d峰精细拟合  72-73
    4.3.3 O1s峰精细拟合  73-75
  4.3 本章小结  75-77
第五章 结论及展望  77-79
  5.1 课题研究结论  77-78
  5.2 展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-87
附录(研究生期间发表的论文)  87

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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