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研究生： 吳禹函
Yu-Han, Wu
論文名稱： 雙金屬合金觸媒PdxFe1-x其結構對燃料電池陰極氧氣還原反應之電催化活性
Investigation on Electrochemical Activity and Catalyst Structure of PdxFe1-x Nanoparticle as Cathode Catalyst for Oxygen Reduction Reaction
指導教授： 陳家俊
Chen, Chia-Chun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 101
中文關鍵詞： 直接甲醇燃料電池 、陰極觸媒 、氧氣還原反應
英文關鍵詞： DMFC, cathodic catalyst, oxygen reduction reaction
論文種類： 學術論文
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    • 本篇主旨在利用不同方法合成出13nm、7nm及4nm之PdxFe1-x奈米粒子，做為燃料電池陰極觸媒，成本較傳統市售的白金觸媒來的低，並調控Pd及Fe的組成比例，由XRD、TEM、EDS與XAS中的XANES及EXAFS來鑑定奈米粒子之結構及表面組成，並進行電化學分析，利用旋轉電極測量其對氧氣還原反應的催化活性，探討PdxFe1-x的電催化特性與其結構間的關係，發現4nm之PdxFe1-x奈米粒子擁有較佳的催化效果，根據結果顯示，隨著奈米粒子之粒徑趨於變大，則氧氣還原反應的onset potential將向負偏移，而Fe及Pd的表面組成比越趨近於一比一，則mass activity越大，表是吾人利用水相合成出ultra small且表面組成比為一比一的PdxFe1-x/C奈米粒子在燃料電池陰極氧氣還原反應擁有良好的催化特性。

    The major goal in this research was to develop the electrocatalysts with high activity for oxygen reduction reaction. To date, one of the major challenges to commercialization of fuel cell is to develop cheap and stable fuel cell catalysts for the ORR. To reduce the usage of noble metal, the PdFe catalysts have attracted considerable attention. The reasons are attributed to that Pd is comparatively cheaper than Pt and PdFe demonstrates very high methanol tolerance. These carbon-supported bimetallic electrocatalysts PdxFe1-x were synthesized by three different methods and their particle size were 13nm, 7nm and 4nm respectively. The synthesized catalysts were characterized in terms of structure morphology and catalysts activity by XRD, TEM, EDS and electrochemical measurements. The kinetics of ORR was studied in acid solution by using the rotating disk electrode method. The results showed that the ORR onset potentials of PdxFe1-x showed a shift to more positive potentials with decrease of the particle size. Moreover, the 4 nm PdxFe1-x/C catalysts have best catalytic activity in ORR. Then we found the relationship between catalyst structure and the electrochemical activity of the electrocatalysts, and utilized the XAS technique to study the structure and surface composition. The PdFe catalyst with a surface composition of 50：50 demonstrated high catalytic properties for the ORR and mass activity.

    總目錄 I 圖目錄 V 中文摘要 VIII 英文摘要 IX 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 燃料電池簡介 2 1.2.1 燃料電池的種類 4 1.2.2 各種燃料電池內的電化學反應 8 1.3 直接甲醇燃料電池( Direct Methanol Fuel Cell ) 11 1.3.1 DMFC陽極反應 13 1.3.2 DMFC電解質 15 1.3.3 DMFC陰極反應 16 1.4 研究動機與方法 21 第二章 原理 22 2.1 同步輻射 22 2.2 X光吸收光譜原理 22 2.2.1 X光吸收近邊緣結構（XANES） 24 2.2.2 延伸X光吸收微細結構（EXAFS） 25 2.2.3 數據分析 27 2.3 粉末X光繞射光譜（XRD） 32 2.4 穿透式電子顯微鏡(TEM) 34 2.5 能量散佈分析儀(EDS) 35 2.6 循環伏安法（CV） 36 2.7 電化學活性表面積 38 2.8 極化曲線 39 2.9 旋轉盤電極(RDE) 40 第三章 實驗部分 42 3.1 實驗藥品及設備 42 3.1.1 實驗藥品 42 3.1.2 實驗設備 43 3.2 實驗方法 44 3.3 奈米觸媒之製備方法 45 3.3.1 碳黑前處理 45 3.3.2 合成PdxFe1-x奈米粒子 45 3.3.2.1 油相合成13nm之PdxFe1-x 45 3.3.2.2 水相合成7nm之PdxFe1-x 46 3.3.2.3 水相合成4nm之PdxFe1-x/C 46 3.3.3 觸媒製備 47 3.4 材料鑑定與分析 48 3.4.1 XRD分析 48 3.4.2 TEM分析 48 3.5 電化學特性測試 49 3.5.1 電極之清洗 50 3.5.2 電極片製備 50 3.5.3 電化學特性量測 50 3.5.3.1 循環伏安 51 3.5.3.2 氧氣還原測試 51 3.5.4 X光吸收光譜（XAS） 51 3.5.4.1 EXAFS之曲線適配 52 3.5.5 以X光吸收光譜分析觸媒結構 52 第四章 結果與討論 56 4.1 陰極觸媒材料 56 4.1.1 合成PdxFe1-x奈米粒子 56 4.1.2 材料之晶向與型態分析 58 4.1.3 電化學特性量測結果 71 4.1.4 XANES之吸收係數 77 4.1.5 X光吸收光譜 78 4.1.5.1 X光吸收近邊緣結構（XANES） 78 4.1.5.2 延伸X光吸收微細結構（EXAFS） 80 4.1.6 觸媒材料之結構比較 84 4.2 理論計算模擬 86 4.2.1 Pd（111）表面 87 4.2.2 電荷轉移（charge transfer） 90 第五章 結論 96 5.1 結論 96 5.2 未來展望 97 第六章 參考文獻 98

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