008240612s2021      us  |||||||||||||||c||eng  d
■001000016931054
■00520240214095901
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798380622059
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI28863980
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a540
■1001  ▼aChen,  Shouping.
■24510▼aRational  Design  of  Nanocatalysts  for  Renewable  Energy  Conversion▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bUniversity  of  California,  Berkeley.  ▼c2021
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2021
■300    ▼a1  online  resource(108  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Yang,  Peidong.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  Berkeley,  2021.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aIncreasing  fossil  fuel  consumption  and  CO2  emission  have  raised  great  concerns  about  our  energy  and  environment  future.  In  order  to  solve  these  problems,  on  the  one  hand,  it  is  critical  to  develop  alternative,  renewable  energy  sources,  such  as  fuel  cell  powered  by  H2,  on  the  other  hand,  it  is  also  important  to  reduce  the  existing  CO2  into  value-added  products,  such  as  fuels  and  fine  chemicals.  Electrocatalysis  using  nanomaterials  plays  an  essential  role  in  completing  these  two  tasks  by  transforming  the  reactants  into  the  target  products  efficiently  along  with  the  energy  conversion  process.  The  activity,  stability,  and  selectivity  of  nanocatalysts  highly  depend  on  their  structures,  which  require  careful  and  rational  design  to  achieve  desired  properties.  Therefore,  this  dissertation  focuses  on  the  development  of  multiple  effective  strategies  to  improve  the  performance  of  different  nanocatalysts  for  either  fuel  cell  or  CO2  reduction  reaction  (CO2RR)  electrocatalysis.First,  post-synthesis  treatment  has  been  recognized  as  a  key  step  to  tailor  the  catalytic  behavior  of  Pt-based  alloys.  In  the  second  chapter,  we  present  the  effects  of  catalyst  processing  on  the  electrocatalytic  property  of  Pt-Ni  nanoframes  for  cathodic  oxygen  reduction  reaction  (ORR)  in  fuel  cell.  The  Pt-Ni  nanoframes  are  made  by  corroding  the  Ni-rich  phase  from  solid  rhombic  dodecahedral  particles.  Among  the  three  different  corrosion  procedures,  electrochemical  corrosion  leads  to  the  highest  initial  specific  activity  by  retaining  more  Ni  in  the  nanoframes.  However,  the  high  activity  gradually  goes  down  in  a  subsequent  stability  test  due  to  continuous  Ni  loss  and  concomitant  surface  reconstruction.  In  contrast,  the  best  stability  is  achieved  by  a  more-aggressive  corrosion  using  oxidative  nitric  acid.  Although  the  initial  activity  is  compromised,  this  procedure  imparts  a  less-defective  surface,  and  thus,  the  specific  activity  drops  by  only  7%  over  30,000  potential  cycles.  These  results  indicate  a  delicate  trade-off  between  the  activity  and  stability  of  Pt-Ni  nanoframe  electrocatalysts.Second,  controlled  synthesis  of  nanoparticles  with  optimal  morphology  and  composition  is  crucial  to  promoting  their  catalytic  performance.  In  the  third  chapter,  we  demonstrate  the  integration  of  highly  open  nanoframe  morphology  and  catalytically  active  Pt-Co  composition  to  develop  Pt-Co  nanoframes.  Their  ORR  mass  activity  in  acidic  media  is  as  high  as  0.40  A  mgPt-1  initially  and  0.34  A  mgPt-1  after  10,000  potential  cycles  at  0.95  V  versus  reversible  hydrogen  electrode  (VRHE).  Moreover,  their  mass  activity  for  anodic  methanol  oxidation  reaction  (MOR)  in  alkaline  fuel  cell  is  up  to  4.28  A  mgPt-1  and  is  4-fold  higher  than  that  of  commercial  Pt/C  catalyst.  Experimental  studies  indicate  that  the  weakened  binding  of  intermediate  carbonaceous  poisons  contributes  to  the  enhanced  MOR  behavior.  More  impressively,  the  Pt-Co  nanoframes  also  show  excellent  stability  under  long-term  testing,  which  could  be  attributed  to  the  negligible  electrochemical  Co  dissolution.Third,  introducing  a  second  material,  such  as  the  metal-organic  framework  (MOF),  is  a  promising  strategy  to  add  catalytic  functions  beyond  metal  nanoparticles.  In  the  fourth  chapter,  we  demonstrate  the  combination  of  Pt-Ni  nanoframe  and  zeolitic  imidazolate  framework-8  (ZIF-8),  which  is  a  special  MOF,  into  an  individually  encapsulated  frame-in-frame  structure.  Via  surface  functionalization,  the  Pt-Ni  nanoframe  is  first  embedded  in  ZIF-8  to  achieve  a  single  core-shell  structure,  as  evidenced  by  the  three-dimensional  tomography.  The  growth  trajectory  of  such  frame-in-frame  nanocomposite  is  tracked,  revealing  that  ZIF-8  first  nucleates  in  the  solution,  then  attaches  to  the  surface  of  the  nanoframe,  and  finally  grows  to  capture  the  entire  nanoframe,  enabling  the  one-in-one  encapsulation.  Next,  by  utilizing  ZIF-67  as  the  sacrificial  layer,  the  Pt-Ni  nanoframe  is  further  solely  encased  in  ZIF-8  to  form  a  single  yolk-shell  structure,  which  has  a  cavity  between  the  core  and  the  shell.  The  obtained  frame-in-frame  structures  have  potential  applications  in  size-selective  or  tandem  catalysis  to  produce  fine  chemicals.Fourth,  long-range  atomic  ordering  in  nanocrystals  holds  the  promise  of  unique  catalytic  properties  for  many  reactions.  In  the  fifth  chapter,  we  report  the  preparation  of  Cu3Au  intermetallic  nanowires  by  using  Cu  Au  core-shell  nanowires  as  the  precursors.  With  appropriate  Cu/Au  stoichiometry,  the  Cu  Au  core-shell  nanowires  are  transformed  into  fully  ordered  Cu3Au  nanowires  under  thermal  annealing.  Thermally-driven  atomic  diffusion,  which  is  facilitated  by  the  abundant  twin  boundaries,  accounts  for  the  ordering  process.  The  resulting  Cu3Au  intermetallic  nanowires  have  uniform  and  accurate  atomic  positioning  in  the  crystal  lattice,  which  enhances  the  nobility  of  Cu.  No  obvious  copper  oxides  are  observed  in  fully  ordered  Cu3Au  nanowires  after  annealing  in  air  at  200  oC,  a  temperature  that  is  much  higher  than  those  observed  in  Cu  Au  core-shell  and  pure  Cu  nanowires.  The  acquired  Cu3Au  intermetallic  nanowires  are  promising  candidates  for  either  ORR  or  CO2RR  electrocatalysis.Fifth,  covalently  bonded  surface  ligands  often  block  the  active  metal  sites  and  limit  the  reactivity  of  nanocluster  catalysts.  In  the  sixth  chapter,  we  investigate  the  ligand  removal  process  for  Au25  nanoclusters  using  both  thermal  and  electrochemical  treatments,  as  well  as  its  impact  on  the  CO2  electroreduction  to  CO.  The  Au25  nanoclusters  are  synthesized  with  2-phenylethanethiol  as  the  capping  agent  and  anchored  on  sulfur-doped  graphene.  The  thiolate  ligands  can  be  readily  removed  under  either  thermal  annealing  at  180  oC  or  electrochemical  biasing  at  -0.5  VRHE.  However,  these  ligand-removing  conditions  also  trigger  the  structural  evolution  of  Au25  nanoclusters  concomitantly.  The  thermally  and  electrochemically  treated  Au25  nanoclusters  show  enhanced  activity  and  selectivity  for  the  electrochemical  CO2-to-CO  conversion  than  their  pristine  counterpart,  which  is  attributed  to  the  increased  exposure  of  undercoordinated  Au  sites  on  the  surface  after  ligand  removal.
■590    ▼aSchool  code:  0028.
■650  4▼aChemistry.
■650  4▼aEnergy.
■650  4▼aMaterials  science.
■650  4▼aEngineering.
■650  4▼aNanoscience.
■653    ▼aCatalysis
■653    ▼aNanomaterial
■653    ▼aRenewable  energy
■653    ▼aFossil  fuel
■690    ▼a0794
■690    ▼a0485
■690    ▼a0791
■690    ▼a0565
■690    ▼a0537
■71020▼aUniversity  of  California,  Berkeley▼bMaterials  Science  &  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-05B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0028
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2021
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16931054▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024