基于氧化钯水热法制备钯基二元电催化剂及其电催化性能研究

摘要

阴离子交换膜直接醇燃料电池（AEM DAFCs）的一个重要优点是碱性介质中的醇阳极氧化和氧阴极还原的动力学比酸性介质中快得多，使得可以使用非铂和成本较低的金属催化剂。在不同类型的燃料电池中，直接甲醇和乙醇燃料电池吸引了更多科研工作者的兴趣，高能量密度、低污染排放、易于运输的液体燃料，这些优点使得它们更易于作为能源的替代品。但还有一些问题阻碍了电池的扩大使用，其中最主要的就是催化剂的成本。本论文是对钯催化剂进行掺杂改性，即使用较低成本的金属作为助催化剂，探究所合成的催化剂对甲醇和乙醇的电氧化性能。 具体实验内容如下： （1）我们首次研究了具有PdO+PdCl2+MWCNTs的混合物的热解产物的电催化性能。在这项工作中，通过使用非常简单的热解方法制备了三种催化剂。通过XRD和TEM对制备的催化剂进行了充分的表征。XRD图谱基本上表明，在经过热解过程之后，产生了新的金属Pd粒子。TEM图像证明，在热解过程之后，将尺寸小于20nm的一些纳米颗粒固定在MWCNTs的表面上。电化学实验的结果证实，催化剂a，即由PdO+PdCl2+MWCNTs的混合物进行热解得到的产物在所有合成的催化剂中显示出对MOR最佳的电催化活性。催化剂a表现出比其他催化剂更优越的电催化活性，这意味着PdCl2可能被用作添加剂以促进Pd基催化剂的电催化能力。 （2）通过简易的热解方法制备了五种复合材料即包含PdO、NiO和多壁碳纳米管混合物的热解产物，其中系统研究了Pd与Ni的原子比对所得催化剂的物理化学性质和电催化活性的影响。物理表征（XRD谱图、SEM和TEM图像）结果表明，所合成催化剂的组成和形貌均受Pd与Ni原子比例的影响。电化学测试（CV、CA、EIS等）结果表明，添加剂NiO的加入虽可以改善体系的催化性，但当过量的NiO掺入时，新鲜Pd原子的反应位点将被严重阻挡，从而影响乙醇分子的吸附和进一步氧化。在所有制备的催化剂中，催化剂b是Pd/Ni最佳原子比为1:1的混合物的热解产物，表现出对EOR最好的电催化活性。 （3）我们采用新型复合催化剂，即多壁碳纳米管（MWCNTs）负载钯和铅催化剂（表示为PdxPby/MWCNTs）。以PdO、PbO和MWCNTs为起始原料，采用水热法制备材料。我们通过XRD、EDS等表征证明，经过热解会有少量的Pd纳米粒子出现，并通过调整掺入金属Pb的量达到最佳效果。主要通过CV，CA和EIS等电化学测试来检测所得催化剂在乙醇溶液中的电催化活性。电化学测试结果表明，与Pd-游离催化剂相比，在Pd1Pb1/MWCNTs催化剂上正向电位扫描的EOR峰电流几乎是前者的9倍，而且EOR的起始电位值下降约100 mV。 （4）以Fe2O3为添加剂，采用水热法制备多壁碳纳米管负载的钯和铁复合催化剂材料，继续探讨Pd/Fe摩尔比不同对碱性环境中EOR催化性能的影响。通过XRD和EDS图可以确定有金属Pd颗粒生成，且经过观察SEM和TEM图像可以直观看到多壁碳纳米管周围附着的金属Pd颗粒。在碱性条件下，我们对所有制备的催化剂进行循环伏安（CV）、计时电流（CA）和交流阻抗（EIS）等电化学测试，此外还讨论了循环100圈之后电流的变化情况，结果证明：150℃下热解得到的催化剂均表现出较好的稳定性，其中b催化剂即原子比为1:1的Pd1Fe1/MWCNTs复合催化剂稳定电流最高，在EOR方面催化性最好。

目录

声明

绪论

1.1 直接乙醇燃料电池（DEFC）

1.2 碱性型直接乙醇燃料电池

1.3 钯及钯基催化剂在DEFC中的应用

1.4 DEFC催化剂开发中的挑战[13]

2 氧化钯、氯化钯和碳纳米管混合物的热解产物对甲醇电氧化反应的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 实验小结

3 热解合成钯和镍二元催化剂及其对乙醇氧化催化活性的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 实验小结

4 钯和铅复合催化剂的制备及对乙醇催化氧化反应的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

4.4 实验小结

5 碳纳米管负载钯和铁复合催化剂对乙醇电催化性能的研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 实验结果与讨论

5.4 实验小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单