化石能源的大量使用引發(fā)了日益嚴峻的能源危機和環(huán)境問(wèn)題，發(fā)展可再生能源是社會(huì )可持續發(fā)展的必然要求。電催化通過(guò)加速電極/溶液界面異相電子轉移過(guò)程，可促進(jìn)電能與化學(xué)能的高效轉換，是可再生能源轉化與利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在基礎研究層面，電催化研究的核心任務(wù)是揭示催化材料結構-活性關(guān)系。傳統修飾電極電化學(xué)研究方法由于存在系綜效應，其結果是大量顆粒的平均信息，無(wú)法揭示電極表面材料的本征催化活性。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的單顆粒電化學(xué)研究方法為研究材料構-效關(guān)系提供了新的視角。區別于傳統研究方法，單顆粒電化學(xué)方法可對單一個(gè)體電催化行為進(jìn)行研究，有利于微觀(guān)電催化機制的探索和材料本征電化學(xué)活性的獲取，從而實(shí)現構-效關(guān)系的精準構建。

本論文基于單顆粒納米碰撞電化學(xué)方法，以金屬鉑納米顆粒及其團聚體作為對象，研究了單個(gè)鉑顆粒上的析氫反應、氧還原反應以及電極漿液中高分子粘結劑與納米顆粒團聚體的動(dòng)態(tài)演變行為。論文的主要研究?jì)热菁敖Y論如下:

(1)鉑單顆粒析氫反應動(dòng)態(tài)學(xué)過(guò)程研究?；诓祭薀徇\動(dòng)和膠體理論研究了溶液中膠體顆粒的穩定性，發(fā)現通過(guò)調節質(zhì)子濃度可有效避免溶液中顆粒團聚現象，從而保證了在單顆粒水平開(kāi)展電催化研究；采用碰撞電化學(xué)方法研究了鉑單顆粒上析氫電化學(xué)行為與極化電位的關(guān)系，發(fā)現單顆粒鉑上析氫電化學(xué)信號隨電極電位負移發(fā)生由尖刺狀到臺階狀的轉變，條件實(shí)驗表明該轉變行為受顆粒表面質(zhì)子與氫氣濃度共同作用影響，推測其原因在于析氫過(guò)程中顆粒表面物種濃度的動(dòng)態(tài)變化導致電極電位發(fā)生偏移；研究了不同氣氛下鉑上析氫反應機制，通過(guò)重構循環(huán)伏安曲線(xiàn)獲得了鉑單顆粒上的析氫極化曲線(xiàn)，發(fā)現氫氣氣氛中鉑單顆粒上存在析氫失活行為，推測其原因在于氫在鉑顆粒上的吸附(吸收)抑制催化活性。

(2)鉑單顆粒上氧還原反應尺寸與配體效應研究?；诩{米碰撞電化學(xué)方法研究了不同粒徑鉑單顆粒上氧還原反應電催化活性的影響因素，獲得鉑單顆粒上氧還原反應極化曲線(xiàn)，發(fā)現鉑本征催化活性與尺寸相關(guān)，在研究尺寸范圍內小粒徑鉑顆粒(4 nm)表現出最佳的本征活性；采用配體交換法改變鉑顆粒表面配體分子，考察了聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、檸檬酸等配體分子對鉑單顆粒上氧還原活性的影響，發(fā)現配體分子通過(guò)吸附占據活性鉑表面，從而抑制顆粒催化活性。

(3)鉑納米顆粒與Nafion高分子團聚體動(dòng)態(tài)學(xué)研究。以鉑納米顆粒(4 nm)和全氟磺酸樹(shù)脂(Nafion)混合體系模擬燃料電池催化劑漿液，研究漿液中催化劑團聚體的動(dòng)態(tài)演變行為。研究發(fā)現由于分子內極性差異，Nafion在極性溶劑中發(fā)生自組裝行為形成球狀膠束；發(fā)現高分子對納米顆粒具有快速吸附能力，其作用機制源于兩者之間的范德華力相互作用和高分子的橋聯(lián)作用；利用電子顯微鏡、動(dòng)態(tài)光散射等方法研究了溶液態(tài)下團聚體存在狀態(tài)，通過(guò)長(cháng)時(shí)間尺度追蹤，發(fā)現團聚體是一個(gè)熱力學(xué)不穩定體系，其在溶液中存在緩慢演變過(guò)程，推測該過(guò)程與Nafion分子溶脹行為有關(guān)。