微波辅助合成直接甲醇燃料电池阳极催化剂及电催化性能研究

摘要

直接甲醇燃料电池由于其低毒、高能量密度、环境可持续性、高能量转换效率和结构紧凑等优点受到了大量的关注。然而较低的催化性能和高成本是限制直接甲醇燃料电池商业化应用的主要挑战。因此迫切需要制备出催化活性高、成本较低的催化剂来顺应直接甲醇燃料电池的发展趋势。
　　为了提高催化剂性能、降低催化剂成本，本文制备了PtRu/C核壳催化剂、双壳层PtRu/TiO2催化剂和H-PtRu催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDX)、透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)来研究催化剂的形貌、结构和组分。利用循环伏安法和计时电流法来测试催化剂的甲醇氧化电化学性能。主要研究结果包括以下几个方面:
　　(1)采用一个简单有效的方法制备了PtRu/C核壳催化剂。首先通过微波辅助法制备Ru纳米粒子，然后通过原位还原法在Ru纳米颗粒表面生成Pt，最终形成PtRu核壳结构。TEM结果表明所合成的PtRu/C催化剂的纳米粒子具有粒径小和粒径分布窄的特点。电化学测试表明所制备的PtRu/C与商用的Pt/C(JM)和PtRu/C(JM)相比，拥有更低的启动电势和电流衰减速率。
　　(2)采用简单的合成路径制备了具有双壳层结构的PtRu/TiO2催化剂。首先通过静电相互作用合成Ru/TiO2，然后用抗坏血酸作为还原剂在Ru/TiO2表面原位还原Pt前驱体。电化学测试表明与Pt/TiO2、Pt/C(JM)和PtRu/C(JM)催化剂相比，PtRu/TiO2对甲醇的电氧化反应显示出了更好的电催化性能;并且在碱性条件下拥有比在酸性条件下更高的甲醇氧化活性。
　　(3)在双壳层PtRu/TiO2催化剂制备的基础上，以TiO2为模板制备了多孔H-PtRu催化剂。通过改变H2PtCl6溶液的量可以有效地调节Pt纳米粒子的量并控制其Pt壳层的完整度。结果显示H-PtRu催化剂对甲醇的电氧化活性约为商用Pt/C(JM)的2.5倍，并且其电化学稳定性随着Ru含量的上升而提高。此外，根据稳定性测试发现H-PtRu与商用Pt/C(JM)和PtRu/C(JM)相比，展现了对甲醇氧化更好的的电催化性能。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 直接甲醇燃料电池

1．1．1 DMFC的工作原理

1．1．2 DMFC的优势和面临的挑战

1．2 DMFC阳极催化剂的研究

1．2．1 阳极催化剂有效催化元素的研究

1．2．2 Pt对甲醇氧化的催化机理

1．3 催化剂性能的研究及其影响因素

1．3．1 催化剂载体

1．3．2 催化剂合成方法

1．3．3 新型催化剂结构及制备方法

1．4 课题的提出

第二章 实验材料和表征方法

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 表征及测试

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM，HR-TEM)

2．3．3 X-射线衍射(XRD)

2．3．4 能谱分析(EDX)

2．3．5 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．6 工作电极的制备

2．3．7 循环伏安法(CV)和计时安培法(CA)

第三章 PtRu／C核壳催化剂的制备及电化学性能研究

3．1 引言

3．2 PtRu／C催化剂的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 PtRu／C催化剂的表征

3．3．2 PtRu／C催化剂的电化学性能研究

3．4 小结

第四章 双壳层PtRu／TiO2催化剂的制备及电化学性能研究

4．1 引言

4．2 双壳层PtRu／TiO2催化剂的制备

4．2．1 功能化的二氧化钛微球的制备

4．2．2 单壳层Ru／TiO2微球的制备

4．2．3 双壳层PtRu／TiO2微球的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 双壳层PtRu／TiO2微球的形貌分析

4．3．2 双壳层PtRu／TiO2微球的谱图分析

4．3．3 双壳层PtRu／TiO2催化剂的电化学性能研究

4．4 小结

第五章 多孔H-PtRu催化剂的制备及电化学性能研究

5．1 引言

5．2 多孔H-PtRu微球的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 多孔H-PtRu微球的表征

5．3．2 不同Pt／Ru原子比的H-PtRu的表征

5．3．3 多孔H-PtRu催化剂的电化学性能研究

5．4 小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢