多壁碳纳米管负载铂基电催化剂的研制

摘要

由于直接甲醇燃料电池（DMFC）具有燃料运输安全、来源丰富、价格低廉、能效高等优点，受到了广泛的关注，有着广阔的应用前景。然而，DMFC的商业化必须要解决这样几个关键问题：提高电池的性能稳定性、耐久性；提高甲醇的电氧化活性。而DMFC的性能与电催化剂的种类、分散性以及颗粒的大小相关，与催化剂载体的选择也不无关系。碳纳米管有着优异的电性能、高比表面积等特点，作为催化剂载体的应用已日渐受到重视。 本文在比较铂基电催化剂多种制备方法的基础上，采用超声纯化处理后的多壁碳纳米管（MWCNTs）作为载体，用多元醇还原法研究了直接甲醇燃料电池（DMFC）的高分散碳载铂基电催化剂的制备技术和相关的基础问题，主要工作有：MWCNTs的不同处理方法；不同二元醇作溶剂（或还原剂和保护剂）制备Pt/MWCNTs及PtRu/MWCNTs；添加不同稳定剂制备Pt/MWCNTs及PtRu/MWCNTs；探究了一种新的方法和合适的Pt-Ru原子配比制备铂基电催化剂。DMFC单池测试显示该PtRu/MWCNTs合金催化剂的电催化活性高于Pt/MWCNTs，这与其较大的电化学比表面积和高合金化程度有关。此外，还考察了各种不同制备参数对催化剂金属粒子分散度及形貌的影响。应用了X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜镜（SEM）等表征手段来检测催化剂的结构形貌和物相组成等；应用电化学循环伏安法（CV），在环境温度和除去溶解氧的条件下，在0.5mol/LH2SO4+1mol/LCH3OH的溶液中测试Pt/MWCNTs和PtRu/MWCNTs电催化剂对甲醇的电催化氧化活性。实验结果表明：负载在催化剂载体（MWCNTs）表面的PtRu粒子高度分散，平均粒径约为3～4nm。DMFC单池测试显示所制得的电催化剂有着较高的催化性能。 初步探索了制备SiO2包裹的PtRu/MWCNTs（SiO2/PtRu/MWCNTS），并在400℃和600℃对其进行热处理。在用氢氟酸溶解表层包裹的SiO2后，用于DMFC阳极催化剂进行电催化氧化性能测试，发现400℃热处理后的SiO2/PtRu/MWCNTs，在溶解SiO2后，比未进行处理的PtRu/MWCNTs有更高的电催化活性和更好的抗CO中毒能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

本论文主要创新点

第一章文献综述

§1.1引言

§1.2直接甲醇燃料电池(DMFC)

1.2.1 DMFC的基本结构及工作原理

1.2.2 DMFC的机理研究

§1.3 DMFC阳极催化剂

1.3.1 Pt／C催化剂

1.3.2 Pt-M／C催化剂

1.3.3其它催化剂

1.3.4影响催化剂电催化性能的结构因素

1.3.5催化剂的制备方法

§1.4催化剂的载体要求

§1.5本课题的研究意义和研究内容

参考文献

第二章实验总述

§2.1实验仪器与化学试剂

2.1.1实验仪器

2.1.2载体、化学试剂及气体

§2.2催化剂的制备

2.2.1 Pt／MWCNTs的制备

2.2.2 PtRu／MWCNTs的制备

2.2.3高温热处理法制备PtRu／MWCNTs

§2.3催化剂的表征

2.3.1 X-射线衍射实验

2.3.2扫描电子显微镜(SEM)实验

§2.4电催化剂的活性评价

2.4.1电催化反应的特点

2.4.2电催化剂的活性评价方法

2.4.3电极的制备

2.4.4电解质溶液

2.4.5电化学性能测试

参考文献

第三章 多元醇还原法制备多壁碳纳米管负载铂基电催化剂条件的影响

§3.1前言

§3.2实验结果

3.2.1载体的选择和处理方法的影响

3.2.2光照的影响

3.2.3搅拌速度的影响

3.2.4 Pt与Ru原子比例的影响

3.2.5不同稳定剂选择的影响

3.2.6一步还原与两步还原的影响

3.2.7溶剂的选择的影响

3.2.8还原温度的影响

3.2.9金属担载量的影响

3.2.10是否除氧的影响

§3.3结论

参考文献

第四章 高温热处理法制备的PtRu／MWCNTs的表征及电化学性能测试

§4.1前言

§4.2实验结果

4.2.1 SiO2／PtRu／MWCNTs催化剂的形貌表征

4.2.2高温热处理SiO2／PtRu／MWCNTs制备PtRu／MWCNTs的物相表征

4.2.3高温热处理SiO2／PtRu／MWCNTs制备的PtRu／MWCNTs的电化学活性测试

§4.3结果与讨论

参考文献

攻读硕士期间发表文章情况

致谢