过渡金属氮化物载体对低温燃料电池Pt催化剂性能的影响研究

摘要

低温燃料电池中，铂碳催化剂由于碳载体与负载的铂粒子结合不牢固，催化过程中两者无协同作用，且碳载体易被腐蚀，造成铂颗粒的迁移、脱落和团聚，严重缩短了燃料电池的使用寿命，所以开发具有高活性和高稳定性的新型铂基催化剂及研究其协同催化机理具有十分重要的意义。
　　本文使用溶剂热/水热法-后氮化处理方法可控合成了三种过渡金属氮化物:氮化钛纳米管(TiN NTs)、氮化钼钛(Ti0.8Mo0.2N)和氮化钴钛(Ti0.9Co0.1N)纳米颗粒，并将其作为铂基催化剂载体。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、比表面积测试(BET)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学方法对合成的催化剂的结构表征、电催化性能进行了研究。Pt/TiN NTs催化剂的氧还原性能测试结果表明，其具有高催化活性及稳定性。加速老化测试结果表明氮化钛纳米管载体可以提高催化剂的耐久性能，减少铂的电化学活性比表面积的损失。12000圈加速老化测试后，Pt/TiN NTs催化剂的电化学活性比表面积依然保持在77％，明显优于Pt/C(JM)催化剂。由于氮化钛纳米管粗糙的表面结构，可以重新捕获催化反应过程中溶解的铂颗粒，减少了铂的脱落及迁移，实验结果也证实了铂颗粒与氮化钛纳米管载体间有强相互作用。Pt/Ti0.8Mo0.2N催化剂的XRD和TEM测试结果说明了氮化钼钛是由单相晶体组成的，并且在甲醇氧化电催化测试中，氮化钼钛作为Pt催化剂载体对比Pt/C(JM)催化剂具有更高的质量比活性及耐久性。实验结果表明钼的掺杂是产生协同催化及电子效应的原因。Pt/Ti0.9Co0.1N催化剂在氧还原性能测试中表现出高催化活性和稳定性的特点。XRD和TEM测试结果表明氮化钴钛纳米颗粒是由高纯单相晶体组成。通过XPS测试可以看出铂颗粒与氮化钴钛载体间具有强相互作用。氧还原性能测试结果表明，对比Pt/C(JM)催化剂，Pt/Ti0.9Co0.1N催化剂具有更高的质量比活性和耐久性。经过10000圈的加速老化测试，Pt/Ti0.9Co0.1N催化剂依旧存在60％的电化学活性比表面积，远远高出Pt/C(JM)催化剂。实验结果表明，由于钴的掺杂，改变了铂的电子结构，使得铂颗粒与载体间的相互作用得到加强。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 低温燃料电池简介

1．1．1 质子交换膜燃料电池

1．1．2 直接甲醇燃料电池

1．2 电催化理论简介

1．2．1 氧还原反应

1．2．2 甲醇氧化反应

1．3 低温燃料电池催化剂载体研究现状

1．3．1 碳类载体

1．3．2 非碳载体

1．4 研究意义及内容

第二章 Pt/TiN NTs催化剂的制备及其氧还原性能测试

2．1 实验内容

2．1．1 实验试剂及仪器

2．1．2 Pt/TiN NTs催化剂的制备

2．2 表征测试手段

2．2．1 形貌结构表征

2．2．2 电化学性能测试分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 形貌结构表征分析

2．3．2 电化学测试分析

2．4 本章小结

第三章 Pt/Ti0．8Mo0．2N催化剂的制备及其甲醇氧化电催化性能测试

3．1 实验内容

3．1．1 实验试剂及仪器

3．1．2 Pt/Ti0．8Mo0．2N催化剂的制备

3．2 表征测试手段

3．2．1 形貌结构表征

3．2．2 电化学性能测试分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 形貌结构表征分析

3．3．2 电化学测试分析

3．4 本章小结

第四章 Pt/Ti0．9Co0．1N催化剂的制备及其氧还原性能测试

4．1 实验内容

4．1．1 实验试剂及仪器

4．1．2 Pt/Ti0．9Co0．1N催化剂的制备

4．2 表征测试手段

4．2．1 形貌结构表征

4．2．2 电化学性能测试分析

4．3 结果与讨论

4．3．1 形貌结构表征分析

4．3．2 电化学测试分析

4．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢