稀土构筑非铂催化体系及其燃料电池阳极电催化应用研究

摘要

Pt基催化剂高昂的成本限制了燃料电池商业化的进程。因此开发高效、稳定、廉价的非Pt催化体系对燃料电池未来的发展十分必要。Pd，Ni，Ir等金属都可以替代Pt，用于燃料电池阳极电催化氧化中。然而，单一组分很难获得优良的活性和稳定性。有研究报道，金属氧化物和合金结构都可以作为催化剂的促进组分，用来提高主催化金属的催化性能，在催化剂中具有很好的应用前景。此外，稀土元素因为其独特的电子结构，以及多样的催化和助催化作用，激起了电催化领域的研究热潮。因此将稀土元素以合金或氧化物形式引入到主催化金属中,形成“稀土构筑的非Pt催化体系”用于阳极反应，是实现燃料电池商业化的可行方法之一。
　　本论文以制备得到高效、低成本的燃料电池阳极非Pt催化体系为主要目标。以氧化物和合金结构的助催化作用为出发点，结合稀土元素的优良性能，分别使用Sm和Ce构筑含稀土元素的非Pt复合催化体系。首先研究了在葡萄糖电催化氧化反应中金属复合氧化物对Pd的助催化作用；随后，研究了稀土合金结构在尿素电催化氧化中对Ni的促进作用；最后，将氧化物，合金结构及稀土元素三者同时引入到催化剂中，成功构筑了“含稀土元素的非Pt复合催化体系”并应用于酸性介质中的乙醇的电催化氧化反应中。这三部分中均采用物理测试手段对制备得到的催化剂进行结构表征，同时采用电化学测试手段考察了它们的电化学性能。具体研究内容分为以下三部分。
　　第一部分、SnCoOx复合氧化物协同Pd的催化剂催化葡萄糖电氧化
　　首先采用沉淀法和热处理法制备得到SnCoOx/C复合氧化物前驱体，再用传统的醇还原法将Pd负载在SnCoOx/C上，即得到了Pd-SnCoOx/C复合催化剂，并研究了它在碱性介质中的葡萄糖电催化氧化的催化性能。和Pd/C相比，Pd-SnCoOx/C催化剂拥有较大的活性表面积，较高的葡萄糖电催化活性和较好的稳定性。这些优良的性能归功于Pd和SnCoOx之间强的协同作用，使得纳米颗粒的分散性较好，纳米尺寸减小。
　　第二部分、Ni5Sm-P/C三元合金催化剂催化尿素电氧化
　　通过在Ni中引入辅助金属 Sm和非金属 P组分，成功制备了三元合金Ni5Sm-P/C催化剂，并且探究了其在尿素电催化氧化中的性能。研究表明，加入Sm和P会改变催化剂的电子分布，使Ni5Sm-P/C产生了更多的NiOOH活性物种,这将有利于提高尿素电催化氧化性能。因此，Ni5Sm-P/C催化剂表现出优异的电催化活性和稳定性。特别地是，Ni5Sm-P/C的峰电流密度分别是Ni-P/C，Ni5Sm/C和Ni/C的1.5,21和29倍。
　　第三部分、异质结构的Ir3Sn-CeO2/C催化剂在酸性介质中催化乙醇电氧化
　　结合氧化物和合金结构的辅助优势，以及稀土元素的优良性能，制备得到了一种新型的Ir3Sn-CeO2/C异质结构催化剂，并将其作为一种无Pt催化剂应用于酸性介质中乙醇的电催化氧化反应。电化学结果表明Ir3Sn-CeO2/C异质结构催化剂拥有比Pt/C，Ir3Sn/C和Ir/C催化剂更高的乙醇电催化氧化活性和稳定性。这种良好的性能可以被解释为Ir,Sn和CeO2之间强的相互作用力改善了催化体系的整体性能。

目录

声明

西北师范大学研究生学位论文作者信息

第一章 文献综述

1.1 燃料电池概述

1.2 几种重要的燃料电池非Pt催化体系

1.3 新型催化体系的构筑

1.4 研究背景及研究内容

参考文献

第二章 SnCoOx复合氧化物协同Pd的催化剂催化葡萄糖电氧化

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

参考文献

第三章Ni5Sm-P/C三元合金催化剂催化尿素电氧化

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

参考文献

第四章 异质结构的Ir3Sn-CeO2/C催化剂在酸性介质中催化乙醇电氧化

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

参考文献

创新性与研究展望

硕士期间科研成果及参与项目

致谢