本書全面總結(jié)了雙金屬催化劑協(xié)同催化的機理，結(jié)合作者自己近年來在這方面的研究結(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。涉及的催化反應包括甲醇氧化、甲酸氧化、析氧反應和氧還原反應等。本書特色之一是有具體的實驗操作過程和一手實驗數(shù)據(jù)，方便指導從事相關(guān)研究工作的科研人員實驗參考。可供從事燃料電池和氫能方面的專業(yè)技術(shù)人員、高等學校高年級本科生以及研究生參考學習。
本書屬于研究型著作，圍繞雙金屬協(xié)同催化這個主題，介紹了目前雙金屬催化的現(xiàn)狀和催化機制，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，以及這些催化劑應用于燃料電池和氫能源等能源材料中的氧化還原反應，具體涉及的催化反應包括甲醇氧化、甲酸氧化、析氧反應和氧還原反應等。有具體的實驗操作與實驗結(jié)果及結(jié)果分析。對于從事該領(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)計和制備，已成為當前材料與催化領(lǐng)域的研究熱點。不同組分之間的適當組合，往往會極大地提高復合材料的催化性能，且催化性能提高的程度明顯大于單獨使用時各組分的催化性能之和，因而被認為各組分之間存在著相互協(xié)同的催化作用。與對應的單個組分相加的催化性能相比，這種共同作用導致了明顯的、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Mirai以來，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)化進程，其中如何制備低成本、高性能催化劑取代價格昂貴的 Pt催化劑是其核心問題之一。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貴金屬的消耗，是實現(xiàn)這一目標的重要手段。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組成和微觀結(jié)構(gòu)的變化導致的協(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年獨立開展電化學研究以來，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；此外通過對Ag-Mo、Ni-Co雙金屬催化劑的設(shè)計，在氧還原方面也進行了有益嘗試。上述研究工作的研究理念和學術(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，進而有效推動燃料電池、可持續(xù)能源電解水制氫等相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
本書是由山西大同大學博士科研啟動基金項目（2011-B-09）資助，書中主要內(nèi)容是山西省自然科學基金（2012021006-1，201701D121016）、山西省高等學校科技開發(fā)項目（2020L0478，2015178）、大同市重點研發(fā)計劃（201819）以及大同市自然基金（2014105-5）等項目的主要成果。郭永教授和曾建皇副教授為本書的完成給予了極大的鼓勵和支持；尚建鵬、張三兵、王瀛、趙海東、趙強、武美霞、李江、李月霞等人的研究工作為本書主要內(nèi)容的形成作出了很大貢獻。楊肖萌、李夢、楊麗鵬等參與了相關(guān)文獻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，書中疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。
李作鵬
2021年8月于山西大同大學
李作鵬，男，漢族，九三學社成員，中國化學會會員。1979年10月出生，山西省襄垣人。1999年考入山西大學化學化工學院化學專業(yè)，2003年7月獲理學學士學位，2003年9月考入中國科學院蘭州化學物理研究所綠色化學與催化研究中心，2010年3月獲得博士學位并留所工作，任助理研究員。2011年起任山西大同大學化學與環(huán)境工程學院講師，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、山西省自然科學基金等項目7項，獲山西省高等學校自然二等獎1項（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)同催化機理 005
1.2.1 Pt-Ru雙金屬協(xié)同催化甲醇氧化反應機理 005
1.2.2 Ni-Fe雙金屬析氧反應機理 012
1.3 結(jié)語 018
參考文獻 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用 023
2.1 直接甲醇燃料電池陽極氧化反應 025
2.2 直接乙醇燃料電池陽極氧化反應 030
2.3 直接甲酸燃料電池陽極氧化反應 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 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 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 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價 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催化劑的表征與評價 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 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價 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價方法 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 128
第5章 高效Ni-Fe雙金屬催化劑用于析氧反應 133
5.1 泡沫鎳上原位電沉積花瓣狀NiFeOxHy/rGO 134
5.1.1 花瓣狀NiFeOxHy/rGO電極的制備 135
5.1.2 花瓣狀NiFeOxHy/rGO電極的表征與評價 135
5.1.3 花瓣狀NiFeOxHy/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價 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 152
第6章 高效雙金屬協(xié)同催化析氧和氧還原反應 157
6.1 Ni-Co雙金屬協(xié)同催化析氧和氧還原反應 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價 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 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價 168
6.2.3 Ag-Mo雙金屬催化劑電催化ORR反應 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 173
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