质子交换膜燃料电池催化剂纳米铂材料研究进展

提高活性、降低贵金属担载量是质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂的重点研究内容,纳米铂材料是提高阴极氧还原反应(ORR)活性的核心研究方向之一。基于对104篇文献的分析,综述了纳米铂颗粒的粒径、晶面和形貌对催化剂的活性和寿命的影响,以及纳米铂合金的成分和核-壳结构等因素对催化性能的影响。分析现有方法技术的优点和不足,提出催化剂有序化结构和优化ORR反应过程的研究方向。     

专利信息（Ⅰ）

专利名称：一种以高分子微球为载体的催化用铂金属纳米颗粒的制备方法 专利申请号：200810018720．5 申请日：2008-01-22 公开号：CN101219397 公开日：2008—07—16 专利申请人：江南大学 一种以高分子微球为载体的催化用铂金属纳米颗粒的制备方法,属于高分子材料和金属纳米催化材料技术领域。本发明通过分散共聚法合成表面具有特殊形态的聚酰胺类大分子单体接枝丙烯腈,苯乙烯三元共聚高分子微球;以可溶性铂酸为铂源,通过铂金属离子与高分子微球表面的亲水性聚酰胺类长链上的酰胺基团配位反应,使铂金属离子在高分子微球表面被原位还原成铂原子,并可控不断生长,     

银纳米粒子的形状控制合成与应用

纳米金属颗粒由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应显示出与块体材料不同的热、光、电、磁、催化等性能。纳米金属材料的性能不仅与粒子尺寸有关，而且还受到粒子形貌的影响。近年来，金属纳米粒子的形状控制合成受到了特别的关注。本文着重评述近年来金属纳米粒子形状控制合成的方法并以银为例介绍了其形状控制合成的最新研究进展。     

液相还原法制备纳米铂粉研究

采用液相还原法，以硼氢化钾(KBH₄)作为还原剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)等作为分散剂，将还原剂、分散剂及其他添加剂混合制成还原液，加入到处理过的氯铂酸(H₂PtCl₆)溶液中制备电子浆料用纳米铂粉。研究了还原过程中氯铂酸浓度、还原液p H值、分散剂种类等对铂粉粒度大小及形貌的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对铂粉进行表征。结果表明，通过控制反应条件可制备平均粒径在20～100 nm的高纯纳米铂粉。对上述铂粉制备的铂浆料指标进行分析后表明，其可应用于制备催化铂电极。     

介孔碳化钨纳米片的制备与电催化性能

以钨酸钠为前驱体,通过水热自组装合成钨酸纳米片,再将其在氢气/甲烷混合气氛中还原碳化获得碳化钨纳米片。采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜和氮吸附等手段对样品形貌、晶相、微结构和比表面积进行分析与表征;采用粉末微电极和循环伏安法测试样品的电催化性能。结果表明:样品颗粒为方形片状,长和宽为600~800 nm,厚约90 nm;样品由碳化钨和碳化二钨组成;纳米片由纳米颗粒和孔隙构成;样品的比表面积为31 m2/g,平均孔径为3.5 nm;碳化钨纳米片呈介孔结构,碳化钨纳米片对甲醇电催化氧化具有良好的活性,并具有与铂类似的催化性能。     

纳米晶铂改善燃料电池的催化活性

一种新型24面体纳米晶铂用于燃料电池上,其每单位面积的催化活性要比现有商用铂催化剂高4倍,这是美国佐治亚工业研究所的一个科研小组新近开发的。这种新型纳米晶铂具有24面晶体结构,它能有效地改进譬如催化燃料氧化和为燃料电池生产氢气的一些化学过程。在碳基片上通过电化学方法由纳米铂球生产的纳米晶铂,在高温下也保持稳定状态。其纳米晶尺寸可以通过改变施加“方形波”电位循环的次数来控制。这种纳米晶铂具有高能表面,包括有大量的“悬空能带”和“原子阶跃”,这都会促进化学反应。由于具有高温（800℃）稳定性,因而可反复用于催化反应过程。     

纳米氧化锆／铂复合材料的微观组织和力学性能

用锆盐的前驱物(ZrO(OH)2)胶体与氯铂酸铵均匀混合．经过高温烧结．得到纳米ZrO2均匀分布于铂的坯料，再通过压力加工方法制成纳米氧化锫/铂复合材料(纳米ZrO2／Pt)的试样。用金相显微镜，扫描电镜(SEM)观察发现，纳米ZrO2颗粒可明显细化基体铂。纳米ZrO2/Pt复合材料的拉伸断口形貌也与纯铂明显不同。在高分辨透射电子显微镜(HREM)下观察可见，ZrO2颗粒周围铂原子排列发生了扭曲，由此导致铂的力学性能发生很大变化．纳米ZrO2/Pt复合材料的抗拉强度(σb)达470MPa．1400℃下的拉伸强度(σb)达15MPa，断裂伸长率(δ)为20％，硬度(HV)为940MPa．分别是纯铂的3．6倍 10倍，0.5倍和2．3倍。     

磁性金属纳米颗粒及其交换耦合结构的化学制备及其磁学性能

磁性金属纳米颗粒在高密度磁存储、催化和生物医学等领域具有重要的应用,引起了科研工作者的广泛兴趣。软磁-硬磁双相交换耦合金属纳米颗粒结合了软磁相材料高饱和磁化强度和硬磁相材料高矫顽力,显著增强了磁能积,为设计和制备新一代高性能新型永磁材料提供了方法。相比于物理法,化学法能够实现磁性纳米颗粒尺寸和形状的精确控制,并通过调控组成和形貌改善其磁学性能,因此成为制备磁性纳米颗粒的常用方法。介绍了单相铁、钴、镍及其合金金属纳米颗粒、稀土永磁纳米材料等的化学制备,并阐述了交换耦合原理及耦合磁体研究的最新进展。     

PS@Au核壳复合粒子的可控合成及粒径对催化性能的影响

采用适当的化学镀工艺,通过对核层聚苯乙烯微球粒径的调制,可控合成了粒径连续可调的PS@Au核壳复合粒子,其球形度较高,无团聚,催化活性优良。利用SEM、XRD和UV-Vis,结合催化性能测试,研究了粒径对PS@Au核壳复合粒子催化性能的影响。结果表明:PS@Au核壳复合粒子较大的比表面积是其取得优良催化性能的物理本质,此外,粒径对其表面微观形貌、Au纳米粒子的生长方式及其催化性能都有显著影响。粒径较小时,核层曲率较大,Au纳米粒子呈发散式生长,表现出孤立的纳米颗粒状结构。此时,比表面积和表面能最大,催化活性最高。随着粒径增大,曲率逐渐减小,Au纳米颗粒表现出近似的薄膜状结构,比表面积和表面能逐渐降低,催化性能逐渐下降。核壳复合粒子的粒径达到400 nm时,Au纳米粒子的表面形貌开始由孤立的颗粒状结构向连续薄膜状过度。     

粉体表面形貌研究

控制反应在微米级碳酸钙表面生长纳米碳酸钙颗粒-形成表面纳米化颗粒(SNSP),其尖锐棱角被钝化,光滑解理面变粗糙,比表面积增大,填充改性的效果更好.观察到粉煤灰的奇特形貌结构,用不同工艺包覆粉煤灰形成不同形貌的包覆层.介绍了适用于描述上述3种颗粒形貌的盒维数法以及颗粒边界图形的分维计算法和颗粒表面的分维计算法,目标是建立复合材料的性能与其填料分形维数的关系.     

强化型纯铂材料性能研究

针对纯铂微细丝的加工难点,探讨了在有微量元素R存在时强化型纯铂微细丝的原料纯度和微观形貌,以及微细丝的研制方法,并就强化型微细丝和海绵铂微细丝的有关性能进行了对比;研制的强化型纯铂微细丝,其热电性能符合国家标准,满足用户需求。     

铂基合金与GH3128合金电子束焊接接头组织与性能研究

采用电子束焊接技术对铂基合金与GH3128进行焊接。利用工业CT、扫描电子显微镜、显微硬度仪和材料万能试验机,研究了铂基合金与GH3128焊接接头显微组织、力学性能及断口形貌。结果表明:铂基合金与GH3128具有良好的焊接性能,焊接接头的质量良好,无缺陷,成分均一,焊缝区显微硬度在360~380之间,焊缝强度为499 MPa,断裂方式为韧性断裂,断裂位置位于铂基合金一侧。     

Morphology of Flake,Ductile and Compacted Graphite

Graphite nucleation, growth and morphology play an important role in determining the physical and mechanical properties in different cast irons. This paper discusses the factors controlling the formation of flake and spheroidal forms of graphite. It also attempts to explain the formation and morphology of the compacted graphite.     

A novel polycatechol/platinum composite film prepared by electrochemical synthesis

This work described the electrochemical synthesis of polycatechol/platinum composite film studied by cyclic voltammetry, scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The formation of the polycatechol/platinum composite film was initiated by introducing PtCl₆²⁻ anions into a pre-electropolymerized catechol film followed by the electrochemical reduction of PtCl₆²⁻. The SEM images indicated that uniform spherical platinum particles were dispersed in the polycatechol film. Compared with the electrodeposited platinum film, the polycatechol/platinum composite film significantly improved the electrocatalytic activity toward the oxidation of methanol, attributed to the uniform dispersion of platinum particles on polycatechol film. The electrochemical methods may be suitable for controlling particle dimension and the density of platinum particles.     

BeO杂质形态与分布对金属铍力学性能的影响

研究热等静压金属铍材中BeO杂质分布状态和颗粒尺寸对金属铍力学性能的影响,并通过设计真空退火试验,进一步调控BeO杂质在铍基体中的分布,得出BeO杂质形态与分布对力学性能的影响规律.结果表明:相比于BeO含量,BeO杂质的分布和形态对金属铍力学性能的影响更为关键;当BeO粒子弥散分布时,位于晶界上BeO粒子的尺寸及间距是决定金属铍材强度与塑性的关键因素,粗大的BeO粒子(粒径大于300 nm)是导致铍材塑性低的主要原因之一;三叉晶界不致密BeO聚集态相当于在材料内部预制一定尺寸的微裂纹,也是影响铍材伸长率的主要因素.     

磁控溅射后的铂靶表面形貌分析

通过分析磁控溅射沉积镀膜后的靶材表面形貌及金相组织,探究了磁控溅射过程中靶材表面的变化趋势。采用场发射扫描电镜观察了磁控溅射后铂靶材表面形貌,采用共聚焦显微镜观察了靶材金相组织。结果表明,靶材的溅射表面形貌呈现规律性变化。靶材中心部位因靶原子反向沉积(反溅)而呈现松散的团簇状聚集形貌;在靶材溅射刻蚀程度较高的部位则呈现明显的凹凸不平状态;随溅射刻蚀程度逐渐降低,靶材边缘处呈现较为平缓的凹凸形貌。此外,靶材溅射面因获得入射离子的部分能量而造成局部升温,晶粒再结晶生长,导致靶材溅射表面的晶粒尺寸要大于靶材芯部。     

玻璃工业用铂合金与复合材料

评述了各种铂材在玻璃工业中的应用和它们的主要特性。基于铂的高温化恘性能和力恘性能稳定性以及高的抗熔融玻璃浸润性,铂合金、铂复合材料和涂层材料成为制造高级玻璃和玻璃纤维的最佳高温结构材料。介绍和评述了玻璃工业用各种铂材,包括Pt、Pt固溶体合金(Pt-Rh、Pt-Rh-Au、Pt-Pd-Rh)、铂复合材料(颗粒弥散复合材料、层状复合材料和包覆复合材料)和先进铂涂层材料的特性和在玻璃工业中的具体应用。     

铂合金饰品材料

铂合金饰品是高贵、纯洁和永恒的象征。2002年我国铂饰品销售量占世界铂饰品年销售总量的52％,已成为铂饰品销售大国。作者简短地回顾了铂合金作为装饰和饰品的历史,评述了Pt与Pt合金作为饰品材料的一般特性,总结了常用饰品铂合金的成分、性能与应用。     

Zr、Y元素对Pt-10Rh合金性能的影响研究

在Pt-10Rh合金中添加少量的Zr、Y元素,利用真空充氩电弧熔炼方法制备了Pt-10Rh-0.5Zr合金及Pt-10Rh-0.5Zr-0.2Y合金。研究了合金的相结构、室温与高温力学性能以及高温抗氧化性能,观察分析了合金高温氧化及高温断口的形貌组织结构。结果表明,合金形成了由铂铑固溶体基体相与少量的金属间化合物相构成的组织结构;添加少量的Zr、Y元素大幅提高了Pt-10Rh合金的力学性能,同时Y元素还显著改善了Pt-10Rh-0.5Zr合金的高温塑性和抗氧化性能。     

孕育方法对消失模铸造灰铸铁组织性能的影响

针对消失模铸造灰铸铁过程中石墨形态及力学性能不稳定的问题,通过在生产条件下附铸阶梯试样及试棒的方法,研究了不同孕育处理方法对消失模铸造灰铸铁组织和性能的影响。结果表明,浇注过程中进行瞬时孕育并控制孕育量在一个适宜的范围内,可明显改善石墨形态和基体组织,同时力学性能得到提高。瞬时孕育量为0.25%时,可基本消除灰铸铁过冷石墨,同时细化基体,抗拉强度较炉前孕育试样提高15 MPa。