金属玻璃脱合金化制备燃料电池用纳米多孔催化剂

燃料电池的迅猛发展对催化材料提出了更高要求。具有高比表面积的纳米多孔金属（NPM）是高效催化的一种理想材料。脱合金法能在室温大气状态下以固溶体或金属间化合物为预合金，制备出性能优良的NPM，但预合金体系相当有限，为寻求多元高效NPM设置了严重的障碍。针对这一问题，本项目将脱合金法与新型单相材料金属玻璃相结合，引入密度泛函理论计算，开拓一条高效易行、制备优质多元PNM催化材料的新途径。这不仅对推动燃料电池向高效率低成本方向发展具有重大现实意义，且将促进材料学、化学及理论数值模拟的相互交叉渗透发展，丰富相关研究领域的基础理论，具有重大学术价值。

本文通过以密度泛函理论（DFT）为基础的计算方法，计算了一系列简化的团簇模型。计算结果表明Pd-Ni，Pd-Fe，Pd-Pt，Pd-Pt-Ni，Pd-Cu-Ni 以及Pd-Cu-Pt-Ni 的催化活性明显高于纯Pd，部分成分的催化活性已经达到纯Pt的催化水平。. 试验结果表明，控制电压或预合金成分可以控制脱合金样品的成分和孔径尺寸。（1）对于PdNi纳米多孔金属制备，当PdNiP金属玻璃成分一定时，腐蚀电压越小，孔径越均匀、细小。Ni40Pd40P20较难被腐蚀，脱合金样品的Ni含量最低，孔径最小，而Ni70Pd10P20脱合金样品的Ni含量较高，孔径较大。在获得的纳米多孔金属中，Ni/Pd相近时，孔径越细小、均匀，能够提供的活性位点越多，催化性能越好，而孔径相近时，Ni/Pd越小，催化性能越好。Ni60Pd20P20脱合金样品的孔径细小、均匀，并且其Ni含量较低，因而其催化活性是所制得样品中最高。循环5000次后的循环伏安曲线与第一次扫描的循环伏安曲线基本重合。说明纳米多孔钯镍催化剂具有较高的稳定性。（2）对于PdNiCu纳米多孔金属制备，同一成分的非晶条带，腐蚀电压越小，孔径越均匀、细小。Pd含量一定的情况下，预合金的耐蚀性与Ni/Cu比有关，Ni/Cu在一定范围内，合金的耐蚀性增加。Pd30Ni10Cu40P20预合金在800mV电压下腐蚀得到的催化剂催化活性最高，并且在此电压下制得的催化剂稳定性高于Pd/C催化剂。纳米多孔钯中加入适量的Ni、Cu提高了Pd的催化活性。Ni以及Cu作为杂质原子埋植于Pd原子的环境中，引起的电子效应(即d-band电子移动)是这类合金催化剂催化活性提高的内在因素。（3）将Pd10Ni50Co20P16B 在0.8mol/L H2SO4+0.2mol/L H3PO4中脱合金，制备PdNiCo催化剂。样品孔径随电压增加，呈先下降后上升趋势。所获得的脱合金对甲酸的催化活性均高于Pd/C催化剂，同时催化稳定性均高于Pd/C催化剂，说明Ni、Co添加可以增加Pd的催化活性及稳定性。