NI-B非晶态合金纳米粒子的制备及电催化性能

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直接甲醇燃料电池(DMFC)以其高能源效率和环境友好的优点,在迫切需求清洁能源的今天,成为了一个很有吸引力的选择。为了提高DMFC的性能,高活性的电催化剂显得十分重要。随着自然资源的逐渐枯竭,尤其是罕见的金属如铂、钯等,研究开发高效、廉价的催化剂已经成为了这一领域的焦点。  非晶态材料具有短程无序,长程有序的特殊结构,其高浓度的配位不饱和位点导致其优良的催化活性与选择性,可以很容易的进行反应。纳米材料具有大的比表面积,高表面活性中心密度与表面能,将非晶态与纳米结合在一起,可以导致更高的电化学容量和更强的电化学活性,可以作为提高催化剂电催化活性的有效手段。  在这篇论文中,通过化学还原法合成了不同Ni/B原子比的非晶态Ni-B合金纳米颗粒,采用HRTEM、SAED、XRD、DSC、XPS等手段对其进行表征。采用循环伏安法对非晶态合金纳米粒子的电化学性能进行测试。  物理表征结果表明:经过XRD检测,Ni-B合金未发现晶态金属的特征峰,通过SAED和HRTEM可以确定合金具有非晶态的长程无序、短程有序的结构特点,观察到制备的非晶态Ni-B合金纳米粒子为球形或者类球形,平均粒径为4~7纳米,团聚现象不明显。DSC的测试结果表明,非晶态Ni-B合金纳米颗粒最早在342.8℃处出现放热峰,随着Ni-B合金中B原子比例的增加,合金的放热峰的峰温先增大后减小,其中Ni1B4开始晶化的温度最高,说明其非晶态结构较其他催化剂有更好的热稳定性,较难晶化为金属Ni与B元素。XPS分析的结果表明,非晶态Ni-B合金中,B失去部分电子,而Ni则富余电子,Ni-B之间具有电子效应。颗粒表面Ni原子浓度随合金中B比例的增大先减小后增大,其中,Ni1B3的浓度最小。而氧化态镍的原子浓度也随合金中B比例的增加变化不明显。随反应物中Ni浓度的增加,氧化态Ni的浓度逐渐减小,而Ni原子的浓度则逐渐增大。  应用循环伏安法首次研究了碱性介质中非晶态Ni-B合金纳米颗粒对甲醇的电催化反应。结果表明,非晶态Ni-B合金纳米颗粒对甲醇有着较高的电催化氧化活性。对Ni-B非晶态合金纳米合金的对不同甲醇浓度的NaOH溶液中循环伏安曲线的分析,发现随甲醇浓度愈大,氧化峰电流密度也随之越大。随着非晶态合金中B含量的增加,其电催化氧化甲醇的能力先减弱后增强,其中,Ni1B4的氧化能力最弱。随反应物中Ni浓度的增加,非晶态Ni1B2纳米合金的电催化甲醇的性能逐渐增加。通过对催化剂进行50次扫描,非晶态合金的峰电流密度下降比例为26.8%。对比非晶态Ni1B4与晶态Ni1B4对甲醇的电催化氧化发现,非晶态合金具有较低的起始电位与峰电位,但是其氧化峰电流密度却低于晶态合金。
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