Pd及Pd-M(M=Co,Ti,Ni和Zr)纳米粒子的制备及对甲酸电催化氧化性能的研究

摘要

在低温燃料电池研究领域，直接甲酸燃料电池(Direct formic acid fuel cell,DFAFC)因其能量转化率较高、污染较小、燃料储量丰富、储存及运输的安全性和其它优点而具有可观的应用价值。目前，Pt基纳米级催化剂在低温燃料电池领域引起了广泛的研究兴趣，然而其活性低、稳定性差及成本高等问题一直是限制其商业化的关键因素。Pd纳米级催化剂对甲酸进行催化氧化机理与Pt不同，具有很强的抗CO毒化的能力。本文将采用实验室自行研制的纳米粒子束流复合沉积系统，通过等离子溅射惰性气体冷凝技术制备粒径均一且分散性较好的Pd基纳米粒子催化剂，适当的调节实验参数（如溅射功率P及Ar气流量等）可实现对纳米粒子的粒径大小及分布的调节。该方法不同于传统的化学合成法，制备过程无需任何添加剂且在高真空及惰性气氛下完成，可充分保证所制纳米粒子的高纯度及良好的表面清洁性。本文还通过退火处理、表面镀C及掺入第二金属等方法，对Pd基纳米级催化剂进行改性，进一步提高Pd催化剂的性能。
　　电化学测试结果表明室温下制备的Pd纳米粒子催化剂具有较好的催化活性（电化学活性面积为100.0 m2 g-1Pd，甲酸氧化峰电流密度为0.58 mA cm-2）及稳定性。随着基片温度的升高，Pd纳米粒子会发生团聚，组装膜的内应力增加，从而使电化学活性面积减小，金属利用率及催化剂稳定性下降，但比表面活性有所提高。表而镀C也可在一定程度上提高Pd催化剂的催化活性，但过厚的C层会使催化剂薄膜容易脱落，稳定性下降。在Pd与其它金属（Co，Ti，Ni及Zr）复合的初步探索中，Pd-Co纳米粒子表现出最为优异的性能。通过研究不同功率下制备的Pd-Co纳米粒子可以发现，随着Co溅射功率的增大，催化剂的电化学活性面积增大，甲酸氧化曲线的轮廓变宽，说明不同含量的Co均可不同程度的提高Pd的抗CO毒化能力及稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池简介

1．2．1 燃料电池工作原理

1．2．2 燃料电池的特点

1．2．3 燃料电池的分类

1．3 直接甲酸燃料电池的概述

1．3．1 直接甲酸燃料电池的优势

1．3．2 甲酸氧化机理

1．4 直接甲酸燃料电池阳极催化剂的性能

1．4．1 阳极催化剂的性能

1．4．2 Pt基催化剂

1．4．3 Pd基催化剂

1．5 直接甲酸燃料电池阳极催化剂的制备方法

1．5．1 化学方法

1．5．2 物理方法

1．6 本课题的选题背景及主要内容

1．6．1 选题背景

1．6．2 研究内容

参考文献

第二章 实验设计及研究方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备及原理

2．2．1 纳米粒子束流复合沉积系统

2．2．2 高温真空气氛管式炉

2．3 研究方法

2．3．1 XRD物相分析

2．3．2 扫描电镜形貌分析

2．3．3 透射电镜结构及形貌分析

2．3．4 电子探针成分分析

2．3．5 电极的制备

2．3．6 三电极电池测试体系

2．3．7 硫酸中的循环伏安(CV)测试

2．3．8 甲酸中的循环伏安(CV)测试

2．3．9 甲酸中的计时安培测试

参考文献

第三章 Pd／C催化剂的制备及其对甲酸催化氧化性能的研究

3．1 引言

3．2 Pd纳米粒子催化剂的制备

3．3 Pd纳米粒子催化剂的表征

3．3．1 Pd纳米粒子催化剂的物相表征

3．3．2 Pd纳米粒子催化剂的电催化性能表征

3．3．3 退火处理对Pd纳米粒子电催化性能的影响

3．3．4 碳(C)膜厚度对Pd纳米粒子电催化性能的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Pd-M／C催化剂的制备及其对甲酸催化性能的研究

4．1 引言

4．2 Pd-M／C双金属纳米粒子催化剂的制备及表征

4．2．1 Pd-M／C纳米粒子催化剂的制备

4．2．2 Pd-M／C金属纳米粒子催化剂的物相表征

4．2．3 Pd-M／C纳米粒子催化剂的催化性能表征

4．3 Pd-Co／C双金属纳米粒子催化剂的制备及表征

4．3．1 Pd-Co双金属纳米粒子催化剂的制备

4．3．2 Pd-Co／C双金属纳米粒子催化剂的物性表征

4．3．3 Pd-Co／C双金属纳米粒子催化剂的电催化性能表征

4．4 本章小结

参考文献

第五章 结论

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢