兼具高孔隙率和梯度孔隙结构的多孔钯块材的制备、表征及其电化学性能研究

doi:10.1016/S1872-2067(17)62780-3

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (6): 1038-1044.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62780-3

兼具高孔隙率和梯度孔隙结构的多孔钯块材的制备、表征及其电化学性能研究

孔清泉^a, 冯威^a, 朱晓东^a, 张靖^b, 孙成华^c

a. 成都大学机械工程学院, 四川成都 610106, 中国;
b. 四川大学材料科学与工程学院, 四川成都 610065, 中国;
c. 澳大利亚莫纳什大学化学学院理学院, 克莱顿VIC3800, 澳大利亚

收稿日期:2016-11-30 修回日期:2017-01-05 出版日期:2017-06-18 发布日期:2017-06-08
通讯作者: 冯威, 孙成华
基金资助:
国家自然科学基金（11572057），成都大学校基金重点项目（2080516030）

Fabrication, characterization and electrochemical properties of porous palladium bulk samples with high porosity and hierarchical pore structure

Qingquan Kong^a, Wei Feng^a, Xiaodong Zhu^a, Jing Zhang^b, Chenghua Sun^c

a. School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, Sichuan, China;
b. School of Materials Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China;
c. School of Chemistry, Faculty of Science, Monash University, Clayton, VIC 3800, Australia

Received:2016-11-30 Revised:2017-01-05 Online:2017-06-18 Published:2017-06-08
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (11572057) and the School Foundation of Chengdu University (2080516030)

摘要/Abstract

摘要：

钯材料广泛用于氢同位素储存和分离、催化和传感等领域. 传统的负载钯催化材料具有优异的乙醇和甲醇等电化学催化氧化性能. 除此之外，负载钯催化材料还具有优异的甲烷催化燃烧性能. 然而，很多研究显示负载钯催化材料存在很多不足，例如在工程应用过程中不稳定，纳米颗粒会发生聚集和长大，进而引起材料性能急剧下降等. 不同于钯片、海绵钯粉末和负载钯催化材料，多孔钯具有三维连通的孔隙结构，可避免团聚现象的发生. 同时，多孔钯还具有一些特殊的物理化学性能. 研究表明，梯度孔隙结构是一种高效的电化学催化结构. 因而近年来很多研究者都致力于探索具有高孔隙率和梯度孔隙结构多孔钯块材的制备方法. 已有的研究包括造孔剂法和模板法等，但上述方法制得的多孔钯块材均存在比表面积低或难以获得块体材料缺点.
我们研究组发展了一种制备兼具高孔隙率和梯度孔隙结构的多孔钯块材的新方法. 即通过以一定粒度的NaCl颗粒作为造孔剂放电等离子烧结制备PdAl合金复合块材，然后通过去离子水溶解获得多孔PdAl合金，最后经过在盐酸溶液中去合金化得到具有数十微米的宏观大孔和约 10 纳米的纳米孔等梯度孔隙结构的多孔钯块材. 当造孔剂添加量为20 vol.%，制得了孔隙率高达88%且完整的多孔钯块材. 对该多孔钯块材的力学性能进行了测试，其压缩强度为0.5 MPa. 对该块材进行氮吸附测试，测试结果显示其比表面积达到 54 m²/g. 我们进一步对该多孔钯块材的乙醇电化学催化氧化性能进行了研究. 对不同扫描速度下多孔钯块材在KOH （1 mol/L） + 乙醇（0.8 mol/L）溶液中电催化活性进行分析. 随着扫描速率从10 mV/s提高到50 mV/s，正扫描峰电流密度也逐渐提高，且峰电位向正电位方向移动. 对峰电流密度和扫描速率的平方根进行拟合，发现它们之间存在明显的线性关系，表明该电催化氧化行为是一个受扩散控制的过程. 随着溶液中乙醇浓度不断增加，正扫描方向乙醇氧化峰的峰电流呈现出先增大后减小的趋势. 这是因为乙醇基和羟基在钯表面的竞争性吸附造成的. 当乙醇浓度较高时，乙醇基会占据钯表面大量的活性位，从而阻碍和抑制羟基的吸附. 此时，羟基在钯表面的吸附成为电氧化反应的控制因素. 因此，只有选择合适的乙醇浓度，才能更好地发挥材料的电催化性能. 当乙醇浓度为 2 mol/L时，峰电流最大，达到120 mA/cm²，表明多孔钯块材具有优异的电催化性能，这与该材料的梯度孔隙结构、高比表面积和高孔隙率密切相关. 进一步对多孔钯块材的催化稳定性进行研究. 该多孔钯块材显示出了优异的催化稳定性，当经过50次循环后，乙醇氧化峰的峰电流仅下降到 ~ 110 mA/cm².

关键词: 钯, 梯度孔隙结构, 电催化, 乙醇氧化, 放电等离子烧结

Abstract:

In the present study, porous bulk palladium samples were prepared by sodium chloride salt powder spacer incorporation and removal combined with dealloying. The obtained porous Pd bulks were characterized by X-ray diffraction, field-emission scanning electron microscopy and N₂ adsorption isotherm measurements. The prepared porous Pd bulk samples showed a hierarchical pore structure, a high porosity of ~88%, a high surface area of ~54 m²/g, and a compression strength of ~0.5 MPa. Electrochemical measurements were performed to evaluate the electrocatalytic properties of the porous Pd bulk samples, revealing their effectiveness for ethanol oxidation.

Key words: Palladium, Hierarchical porous structure, Electrocatalysis, Ethanol oxidation, Spark plasma sintering

孔清泉, 冯威, 朱晓东, 张靖, 孙成华. 兼具高孔隙率和梯度孔隙结构的多孔钯块材的制备、表征及其电化学性能研究[J]. 催化学报, 2017, 38(6): 1038-1044.

Qingquan Kong, Wei Feng, Xiaodong Zhu, Jing Zhang, Chenghua Sun. Fabrication, characterization and electrochemical properties of porous palladium bulk samples with high porosity and hierarchical pore structure[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(6): 1038-1044.

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兼具高孔隙率和梯度孔隙结构的多孔钯块材的制备、表征及其电化学性能研究

Fabrication, characterization and electrochemical properties of porous palladium bulk samples with high porosity and hierarchical pore structure

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