石墨烯负载过渡金属掺杂铂基纳米材料的制备及其甲醇电催化性能

摘要

随着化石燃料的日益枯竭，可持续能源的开发迫在眉睫。燃料电池作为一种高效的能源转换装置，在可持续能源的利用中发挥着重要作用。直接甲醇燃料电池因具有简单可设计、能量转换效率高、终产物对环境污染小、燃料易于存储和运输等优点，而成为近年来燃料电池研究的热门课题。催化剂是燃料电池的重要组成部分，在众多催化剂中，Pt一直是最高效最常用的催化材料。但Pt作为催化剂存在价格昂贵、资源稀缺，且易吸附CO等含碳中间物发生中毒现象等缺点，这些缺点大大阻碍了它的发展。为解决纯Pt催化剂存在的一系列问题，研究者们将目光放在了Pt基双金属催化剂上。
　　本论文利用简便的一步水热法，将过渡金属Cu、Ni、Co作为第二金属分别掺杂到Pt基催化剂中制备一系列具有特定形貌的还原氧化石墨烯(rGO)负载PtCu、PtNi及PtCo双金属合金催化剂。通过对形貌导向剂种类和浓度、反应时间、前驱体中金属比例、反应温度和GO浓度等实验条件的控制，制备出具有特定形貌的PtCu/rGO、PtNi/rGO和PtCo/rGO纳米材料。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对制备的纳米材料的形貌、结构及组成进行表征。利用CHI660D电化学工作站探究所制备的纳米材料的电化学性能。主要研究内容如下:
　　1.以六水合氯铂酸和二水合氯化铜为金属前驱体，乙二醇为还原剂，1-癸基-3-甲基咪唑溴盐([C10MIm]Br)离子液体为结构导向剂和封端剂，制备形貌可控的rGO负载空心球状PtCu纳米材料，该材料对甲醇电氧化具有良好的催化性能和抗中毒能力。PtCu/rGO纳米材料的电化学活性面积高达71.60m2g-1，远高于用同种方式制备的Pt/rGO催化剂和商品Pt/C催化剂。空心球状结构是增大该材料的比表面积，从而提高材料的电催化活性的主要原因。
　　2.以六水合氯铂酸和六水合氯化镍为金属前驱体，在氯化胆碱-乙二醇低共熔溶剂(DES)的辅助下利用一步水热法制备rGO负载海胆状PtNi纳米材料。在该方法中，无需向体系中加入还原剂，DES既作为结构导向剂又作为还原剂。所制备的PtNi/rGO复合材料对甲醇电催化氧化表现出良好的催化活性。海胆状结构是增大该材料的比表面积，从而提高材料的电催化活性的主要原因。
　　3.以六水合氯铂酸和六水合氯化钴为金属前驱体，乙二醇为还原剂，L-脯氨酸为结构导向剂，成功制备rGO负载球状PtCo纳米材料。制备的PtCo纳米球表面光滑且粒径均一，均匀地分散在rGO表面，rGO延展性良好的平铺于PtCo纳米球下方。与同种条件下制备的Pt/rGO和商品Pt/C催化剂相比，PtCo/rGO纳米材料显示出更好的催化活性和抗中毒性，表明Co的掺杂能够提高Pt基催化剂的抗中毒能力和催化活性。除球状结构增大了纳米粒子的比表面积外，作为载体的rGO延展性良好也能够有效增大材料的比表面积，两者相互协同，从而提高了材料的电催化活性。在直接甲醇燃料电池阳极催化剂方面有望拥有广阔的应用前景。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池概述

1．1．1 燃料电池的发明与发展

1．1．2 燃料电池的分类

1．1．3 燃料电池的工作原理及构造

1．2 质子交换膜燃料电池

1．2．1 质子交换膜燃料电池简介

1．2．2 直接甲醇燃料电池简介

1．2．3 甲醇在酸性介质中的电催化氧化机理研究

1．2．4 直接甲醇燃料电池催化剂

1．3 金属纳米材料

1．3．1 纳米材料

1．3．2 一元金属纳米材料

1．3．3 二元金属纳米材料

1．3．4 多元金属纳米材料

1．3．5 金属纳米材料的制备方法

1．4 碳载体在纳米材料中的研究现状

1．5 选题意义及研究的主要内容

第二章 离子液体辅助制备rGO负载空心球状PtCu及其对甲醇的电催化氧化

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 rGO负载空心球状PtCu纳米材料的制备

2．2．3 电化学测试

2．3．1 不同反应条件对PtCu／rGO形貌的影响

2．3．2 PtCu／rGO纳米材料的表征

2．3．3 电催化性能研究

2．4 本章小结

第三章 低共熔溶剂辅助制备rGO负载海胆状PtNi及其对甲醇的电催化氧化

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 rGO负载海胆状PtNi纳米材料的制备

3．2．3 电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同反应条件对PtNi／rGO形貌的影响

3．3．2 PtNi／rGO纳米材料的表征

3．3．3 电催化性能研究

3．4 本章小结

第四章 氨基酸辅助制备rGO负载PtCo纳米球及其对甲醇的电催化氧化

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 rGO负载PtCo纳米球材料的制备

4．2．3 电化学测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同反应条件对PtCo／rGO形貌的影响

4．3．2 PtCo／rGO纳米材料的表征

4．3．3 电催化性能研究

4．3．4 三种rGO负载过渡金属掺杂铂基纳米催化剂催化性能的比较

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

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