以多壁碳纳米管为还原剂热解合成Pt基二元等纳米催化剂及其电化学性能的研究

摘要

由于人类对大自然的过度开发和利用，资源、能源缺乏和环境污染等问题越来越突出的摆在人们面前。能源的短缺，是未来人类必须面对的严重问题。发展对于环境更友好，自身更高效的电源，具有十分重大的战略意义。燃料电池作为一种直接以电化学方式将化学能转化为电能的发电装置，有望成为21世纪的洁净、高效的发电技术之一。直接乙醇燃料电池由于其燃料一乙醇使用安全、来源丰富、价格低廉、易携带和储存等独特的优越性，越来越引起研究者的关注，但乙醇完全氧化成二氧化碳涉及到12个电子的转移过程、C-C键断裂以及更多的吸附中间体，因而高效低成本催化剂的开发是直接乙醇燃料电池商业化必须要解决的问题之一。
　　 碳纳米管由于具有独特的物理和化学性能、优良的导电性能、抗腐蚀性、高稳定性，而被广泛应用于催化领域、半导体领域、储能材料领域、超级电容器领域、生物传感器等，有很广阔的应用前景。
　　 Pt及Pt基催化剂是所有元素中催化性能最好、选择性最高、应用最为广泛的催化剂。但是贵金属铂资源稀少，价格昂贵，不利于控制成本和长期利用，Pt昂贵的价格、低的储量以及容易对CO中毒的问题限制了它的商业化。众所周知，纳米催化剂的结构对催化性能具有重要影响。尤其是合金结构的双金属催化剂，不仅能提高金属的利用率，降低催化剂成本，而且由于两种金属之间具有的电子效应和协同效应使得催化性能得以提高。
　　 主要实验内容如下:
　　 本论文介绍了一种制备贵金属催化剂的简单方法。在不引入其它还原剂的条件下，在多壁碳纳米管存在下，采用直接水解法，在MWCNTs表面制备出以多壁碳纳米管为载体的Au/MWCNTs催化剂和Pd掺杂、Sn掺杂、Ni掺杂、Au掺杂的铂基催化剂(Au/MWCNTs、PtxPdy/MWCNTs、PtxSny/MWCNTs、PtxNiy/MWCNTs、PtxAuy/MWCNTs)。通过XRD、EDS、SEM、TEM等物理表征手段对所制备的贵金属催化剂进行了物像结构和形貌的表征。同时对各个催化剂进行了电化学测试，研究其电化学性能。通过循环伏安、交流阻抗和时间-电流的电化学表征手段证明了各催化剂的最适合原子比和最佳时间。
　　 所获得的结论如下:
　　 1、通过XRD、EDS、SEM、TEM等物理表征手段证明了Pt-Pd、Pt-Sn、Pt-Ni、Pt-Au颗粒成功的修饰到了多壁碳纳米管的表面且晶粒粒径较小。在过程中，MWCNTs不仅起到了载体作用，同时亲自参加了反应，起到了还原作用。
　　 2、通过循环伏安、交流阻抗和时间-电流的电化学表征手段证明了，直接热解法得到了贵金属催化剂和贵金属合金催化剂(Au/MWCNTs、PtxPdy/MWCNTs、PtxSny/MWCNTs、PtxNiy/MWCNTs、PtxAuy/MWCNTs)在碱性溶液中对乙醇氧化表现出了较好的催化作用。
　　 3、通过对催化剂制备过程中反应条件的探究得到了以下结论:Au/MWCNTs催化剂最合适的热解时间为2h。PtxPdy/MWCNTs催化剂最合适的原子比为Pt∶Pd=3∶3。PtxSny/MWCNTs催化剂最合适的原子比为Pt∶Sn=2.5∶1、PtxNiy/MWCNTs催化剂最合适的原子比为Pt∶Ni=1∶1、PtxAuy/MWCNTs催化剂最合适的原子比为Pt∶Au=1∶2。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 能源

1．1．1 能源的概述

1．1．2 我国的能源现状

1．2 新能源

1．2．1 新能源概述

1．2．2 新能源的意义

1．3 燃料电池

1．3．1 燃料电池的概述

1．3．2 燃料电池的历史

1．3．3 燃料电池的特点

1．3．4 燃料电池的组成与分类

1．4 甲醇燃料电池

1．5 乙醇燃料电池

1．6 乙醇燃料电池的催化剂

1．6．1 纯Pt催化剂

1．6．2 碳载Pt催化剂

1．6．3 碳载Pt二元催化剂

1．7 催化剂载体-碳纳米管

1．8 本论文中的实验安排

2 实验材料

2．1 实验试剂与材料

2．2 实验仪器与设备

2．3 电极的制备

2．4 三电极体系

3 直接热解法制备Au／MWCNTs催化剂及其电化学活性的性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 Au／MWCNTs催化剂的制备

3．2．2 不同加热时间的Au／MWCNTs催化剂的制备

3．2．3 催化剂的表征手段

3．3 分析与讨论

3．3．1 Au／MWCNTs、MWCNTs的测试表征对比

3．3．2 不同煅烧时间得到的Au／MWCNTs催化剂的测试表征对比

3．4 小结

4 直接热解法制备合成PtxPdy／MWCNTs催化剂及其电化学活性的性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 PtxPdy／MWCNTs催化剂的制备

4．2．2 催化剂的表征手段

4．3 分析与讨论

4．3．1 XRD

4．3．2 EDS

4．3．3 SEM

4．3．4 TEM

4．3．5 紫外测试

4．3．6 CV

4．3．7 阻抗

4．3．8 IT

4．4 小结

5 直接热解法制备合成PtxSny／MWCNTs催化剂及其电化学活性的性能研究

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 PtxSny／MWNCNTs催化剂的制备

5．2．2 催化剂的表征手段

5．3 分析与讨论

5．3．1 NRD

5．3．2 EDS

5．3．3 TEM

5．3．4 CV

5．3．5 阻抗

5．3．6 IT

5．4 小结

6 直接热解法制备合成PtxNiy／MWCNTs催化剂及其电化学活性的性能研究

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 PtxNiy／MWCNTs催化剂的制备

6．2．2 催化剂的表征手段

6．3 分析与讨论

6．3．1 XRD

6．3．2 EDS

6．3．3 SEM

6．3．4 TEM

6．3．5 紫外测试

6．3．6 CV

6．3．7 阻抗

6．3．8 IT

6．4 小结

7 直接热解法制备合成PtxAuy／MWCNTs催化剂及其电化学活性的性能研究

7．1 前言

7．2 实验部分

7．2．1 PtxAuy／MWCNTs催化剂的制备

7．2．2 催化剂的表征手段

7．3 分析与讨论

7．3．1 XRD

7．3．2 EDS

7．3．3 SEM

7．3．4 TEM

7．3．5 CV

7．3．6 阻抗

7．3．7 IT

7．4 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