本書(shū)全面總結(jié)了雙金屬催化劑協(xié)同催化的機(jī)理，結(jié)合作者自己近年來(lái)在這方面的研究結(jié)果，選取了幾種有代表性的雙金屬催化體系，介紹了催化劑的制備、表征及在燃料電池和氫能中氧化還原方面的成果和經(jīng)驗(yàn)。涉及的催化反應(yīng)包括甲醇氧化、甲酸氧化、析氧反應(yīng)和氧還原反應(yīng)等。本書(shū)特色之一是有具體的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便指導(dǎo)從事相關(guān)研究工作的科研人員實(shí)驗(yàn)參考�？晒⿵氖氯剂想姵睾蜌淠芊矫娴膶I(yè)技術(shù)人員、高等學(xué)校高年級(jí)本科生以及研究生參考學(xué)習(xí)。
本書(shū)屬于研究型著作，圍繞雙金屬協(xié)同催化這個(gè)主題，介紹了目前雙金屬催化的現(xiàn)狀和催化機(jī)制，并基于作者近些年在雙金屬協(xié)同催化方面的研究工作，選取了一些代表性的催化劑，介紹了其制備和表征，以及這些催化劑應(yīng)用于燃料電池和氫能源等能源材料中的氧化還原反應(yīng)，具體涉及的催化反應(yīng)包括甲醇氧化、甲酸氧化、析氧反應(yīng)和氧還原反應(yīng)等。有具體的實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析。對(duì)于從事該領(lǐng)域的研究人員有一定的借鑒意義。
含多組分的非均相催化劑的設(shè)計(jì)和制備，已成為當(dāng)前材料與催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不同組分之間的適當(dāng)組合，往往會(huì)極大地提高復(fù)合材料的催化性能，且催化性能提高的程度明顯大于單獨(dú)使用時(shí)各組分的催化性能之和，因而被認(rèn)為各組分之間存在著相互協(xié)同的催化作用。與對(duì)應(yīng)的單個(gè)組分相加的催化性能相比，這種共同作用導(dǎo)致了明顯的、甚至是顯著的催化性能的提高或改善。
自豐田公司2014年成功推出商品化氫燃料電池汽車(chē)Mirai以來(lái)，燃料電池作為綠色便攜式電源設(shè)備受到廣泛關(guān)注，但仍有許多技術(shù)難題阻礙著其商業(yè)化進(jìn)程，其中如何制備低成本、高性能催化劑取代價(jià)格昂貴的 Pt催化劑是其核心問(wèn)題之一。利用非貴金屬與貴金屬形成合金或金屬間化合物從而降低對(duì)貴金屬的消耗，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段。更為重要的是，金屬與金屬形成的合金或金屬間化合物由于化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的協(xié)同催化作用，在替代貴金屬、提高催化活性和選擇性等方面的重要作用而受到普遍關(guān)注。
筆者自2011年獨(dú)立開(kāi)展電化學(xué)研究以來(lái)，基于雙金屬協(xié)同作用理念，致力于合成不同組成與微觀結(jié)構(gòu)的雙金屬材料，開(kāi)展了雙金屬催化劑的制備及其在能源催化領(lǐng)域的探索，試圖尋找具有更高活性、選擇性和穩(wěn)定性的催化劑材料。具體工作有：高效Pt-Os、Pt-Ru雙金屬協(xié)同催化劑在甲醇氧化中的應(yīng)用；高分散Pt-Pd雙金屬協(xié)同催化劑用于甲酸電氧化；Ni-Fe雙金屬協(xié)同催化劑用于析氧反應(yīng)；此外通過(guò)對(duì)Ag-Mo、Ni-Co雙金屬催化劑的設(shè)計(jì)，在氧還原方面也進(jìn)行了有益嘗試。上述研究工作的研究理念和學(xué)術(shù)思想是一脈相承的，均基于雙金屬協(xié)同作用理念，旨在提高催化劑催化性能、降低催化劑成本，進(jìn)而有效推動(dòng)燃料電池、可持續(xù)能源電解水制氫等相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
本書(shū)是由山西大同大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2011-B-09）資助，書(shū)中主要內(nèi)容是山西省自然科學(xué)基金（2012021006-1，201701D121016）、山西省高等學(xué)�？萍奸_(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2020L0478，2015178）、大同市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（201819）以及大同市自然基金（2014105-5）等項(xiàng)目的主要成果。郭永教授和曾建皇副教授為本書(shū)的完成給予了極大的鼓勵(lì)和支持；尚建鵬、張三兵、王瀛、趙海東、趙強(qiáng)、武美霞、李江、李月霞等人的研究工作為本書(shū)主要內(nèi)容的形成作出了很大貢獻(xiàn)。楊肖萌、李夢(mèng)、楊麗鵬等參與了相關(guān)文獻(xiàn)資料的整理和文字編排工作。在此一并致以衷心的感謝。
由于作者水平有限，書(shū)中疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
李作鵬
2021年8月于山西大同大學(xué)
李作鵬，男，漢族，九三學(xué)社成員，中國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)員。1979年10月出生，山西省襄垣人。1999年考入山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)專業(yè)，2003年7月獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2003年9月考入中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所綠色化學(xué)與催化研究中心，2010年3月獲得博士學(xué)位并留所工作，任助理研究員。2011年起任山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院講師，2014年晉升為副教授，主要從事清潔能源領(lǐng)域的研究。在Electrochem Commun, J Power Sources，Electrochim Acta等國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表研究論文20 余篇，主持中科院西部博士、山西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目7項(xiàng)，獲山西省高等學(xué)校自然二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第二）。
第1章 雙金屬協(xié)同催化概述 001
1.1 雙金屬協(xié)同催化基礎(chǔ) 002
1.2 典型的雙金屬協(xié)同催化機(jī)理 005
1.2.1 Pt-Ru雙金屬協(xié)同催化甲醇氧化反應(yīng)機(jī)理 005
1.2.2 Ni-Fe雙金屬析氧反應(yīng)機(jī)理 012
1.3 結(jié)語(yǔ) 018
參考文獻(xiàn) 019
第2章 雙金屬協(xié)同催化體系在燃料電池和氫能中的應(yīng)用 023
2.1 直接甲醇燃料電池陽(yáng)極氧化反應(yīng) 025
2.2 直接乙醇燃料電池陽(yáng)極氧化反應(yīng) 030
2.3 直接甲酸燃料電池陽(yáng)極氧化反應(yīng) 034
2.3.1 Pt基雙金屬催化劑用于甲酸氧化 035
2.3.2 Pd基雙金屬催化劑用于甲酸氧化 039
2.4 氧氣析出反應(yīng) 043
2.4.1 Fe-Co基雙金屬催化劑 044
2.4.2 Ni-Co基雙金屬催化劑 046
2.4.3 Ni-Al和Ni-Cr雙金屬基催化劑 047
2.4.4 Cu摻雜的Ni、Fe、Co雙金屬基催化劑 048
2.4.5 其他雙金屬基催化劑 049
2.5 燃料電池陰極氧氣還原反應(yīng) 051
2.5.1 雙金屬Pt-Ni合金催化劑 053
2.5.2 其他雙金屬Pt-M合金催化劑 056
參考文獻(xiàn) 058
第3章 高性能Pt基雙金屬催化劑用于甲醇氧化 067
3.1 Pt-Os雙金屬協(xié)同催化劑 068
3.1.1 高分散雙金屬Pt-Os納米催化劑的制備 070
3.1.2 高分散雙金屬Pt-Os納米催化劑的表征與評(píng)價(jià) 071
3.1.3 兩種不同方法制備的Pt-Os催化劑的催化性能 072
3.2 雙金屬Pt-Ru核殼結(jié)構(gòu)催化劑 082
3.2.1 核殼結(jié)構(gòu)Pt/TiO2@Ru-C催化劑的制備 084
3.2.2 核殼結(jié)構(gòu)Pt/TiO2@Ru-C催化劑的表征與評(píng)價(jià) 085
3.2.3 核殼結(jié)構(gòu)Pt/TiO2@Ru-C催化劑的催化性能 085
3.3 雙金屬Pt-Os催化劑與Pt-Ru（TiO2穩(wěn)定的）催化劑性能比較 095
參考文獻(xiàn) 096
第4章 Pt-Pd雙金屬協(xié)同催化用于甲酸電氧化 103
4.1 高分散Pd-Pt雙金屬催化劑 105
4.1.1 高分散Pd-Pt雙金屬催化劑的制備 106
4.1.2 高分散Pd-Pt雙金屬催化劑的表征與評(píng)價(jià) 107
4.1.3 高分散Pd-Pt雙金屬催化劑性能討論 108
4.2 高性能炭載微量鉑修飾的鈀催化劑 115
4.2.1 原位電置換法制備炭載微量鉑修飾的鈀催化劑 117
4.2.2 炭載微量鉑修飾的鈀催化劑的表征及評(píng)價(jià)方法 117
4.2.3 原位電置換法制備的炭載Pt1@Pdx/C催化性能討論 118
4.3 從高分散Pd-Pt雙金屬催化劑到微量Pt修飾的Pd催化劑 127
參考文獻(xiàn) 128
第5章 高效Ni-Fe雙金屬催化劑用于析氧反應(yīng) 133
5.1 泡沫鎳上原位電沉積花瓣?duì)頝iFeOxHy/rGO 134
5.1.1 花瓣?duì)頝iFeOxHy/rGO電極的制備 135
5.1.2 花瓣?duì)頝iFeOxHy/rGO電極的表征與評(píng)價(jià) 135
5.1.3 花瓣?duì)頝iFeOxHy/rGO電極電催化OER性能 136
5.2 Ni-Fe合金泡沫 142
5.2.1 Ni-Fe合金泡沫的制備 143
5.2.2 Ni-Fe合金泡沫的表征與評(píng)價(jià) 143
5.2.3 Ni-Fe合金泡沫的電催化OER性能 144
5.3 從NiFeOxHy/rGO/NF電極到雙金屬Ni-Fe泡沫合金電極 151
參考文獻(xiàn) 152
第6章 高效雙金屬協(xié)同催化析氧和氧還原反應(yīng) 157
6.1 Ni-Co雙金屬協(xié)同催化析氧和氧還原反應(yīng) 158
6.1.1 脊椎狀NiCo2O4納米材料的制備 158
6.1.2 脊椎狀NiCo2O4納米材料的表征與評(píng)價(jià) 159
6.1.3 脊椎狀NiCo2O4納米材料的電催化OER及ORR性能 160
6.2 Ag-Mo雙金屬協(xié)同催化ORR反應(yīng) 167
6.2.1 Ag-Mo雙金屬催化劑的制備 168
6.2.2 Ag-Mo雙金屬催化劑的表征與評(píng)價(jià) 168
6.2.3 Ag-Mo雙金屬催化劑電催化ORR反應(yīng) 169
6.3 Ni-Co雙金屬催化劑和Ag-Mo雙金屬催化劑的比較 172
參考文獻(xiàn) 173
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