碳纳米管为载体的钯基催化剂的设计合成及其对乙醇电催化性能影响的研究

摘要

作为一种新的能源，燃料电池因其具有高效性和环境友好性，逐渐成为安全可靠的能源装置。但是由于贵金属催化剂的高价格，致使燃料电池的商业化应用进程受阻。如何降低贵金属的用量或者提高贵金属的利用率成为目前研究的焦点。另一方面，高效的催化剂还需有合适的载体，相应地，具有良好的导电性和热稳定性及高的比表面积的碳纳米管成为科研上青睐的催化剂载体。
　　本论文的研究策略是：依据化学基本原理选择适当添加剂，在添加剂的作用下，可控合成粒径小、比表面积大、不同形貌的钯及钯基合金等纳米催化剂，主要有纳米Pd颗粒、纳米Pd-Co合金空壳和负载在SnO2纳米棒上的Pd-Cu合金空壳等。通过高倍透射电子显微镜(HR-TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线粉末衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TGA)分析等表征分析技术和循环伏安法(CV)、计时电流法等性能分析测试技术，分别表征了催化剂的形貌结构及研究了催化活性和稳定性，并讨论了合成机理和催化本质。本论文主要研究内容如下：
　　1、介绍了直接乙醇燃料电池的相关知识内容和制备燃料电池催化剂的方法及催化剂的研究进展和最新成果。
　　2、以二苯基磷丙烷为添加剂，以碳纳米管为载体，采用常温还原法，可控制备出粒径为2.5 nm左右的Pd催化剂。通过对其进行物理性质表征和电催化氧化性能测试，发现在添加剂存在的条件下合成的催化剂活性比表面可达32.7m2g-1Pd，电流密度为102.2 mA·cm-2，是未加添加剂合成的催化剂的1.6倍，并且稳定性也有所提高。说明合适的添力口剂可以起到调节催化剂颗粒大小和分散性的作用，从而提高了催化剂的电催化性能。
　　3、以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为添加剂、表面活性剂和模板，乙二醇(EG)为溶剂和还原剂，碳纳米管为载体，采用软模板法溶解热合成100 nm左右的Pd-Co空壳催化剂，粒径分布均匀，比表面积可达66.51 m2/g，是同等条件下合成的非空壳催化剂的2倍多。它们对乙醇氧化反应表现出较高的电催化活性和稳定性，电流密度可达212 mA·cm-2，约是非空壳催化剂的1.8倍。即采用软模板法也是一种提高催化剂利用率的有效方法。
　　4、在葡萄糖的水溶液中，以二氯化锡SnCl2.5H2O为原料采用溶剂热合成棒状二氧化锡，以谷氨酸为添加剂，乙二醇为分散剂和还原剂，合成二氧化锡负载的Pd-Cu球形空壳催化剂，催化剂粒径大约是100 mn，并且粒径分布均匀，比表面积为43.97 m2/g，是非二氧化锡负载的催化剂的1.4倍。以碳纳米管为催化剂导电剂对其进行电化学测试，它们对乙醇的电催化氧化反应表现出较高的催化活性和稳定性，其中电流密度可达119.4 mA·cm-2，比非二氧化锡负载的催化剂的高11 mA·cm-2。说明，合适的金属氧化物的引入可能使催化剂释放更多的活性位点从而提高催化剂的电催化活性。
　　上述实验研究对提高贵金属催化剂的利用率和解决催化剂中毒问题进行了新的尝试，从而提供了新的方法和思路。