新型碳材料负载PtRu催化剂的制备及其电催化性能研究

摘要

随着社会的飞速发展，能源危机和环境污染问题日趋严重，环境友好的直接甲醇燃料电池(DMFC)成为了当前研究的热点。但其Pt基阳极催化剂的制备成本较高且易被甲醇氧化的中间产物毒化，严重阻碍了 DMFC的发展和应用。选择具有独特结构的载体来制备高性能负载型PtRu催化剂是解决这些问题的主要途径之一。生物质介孔碳材料价廉易得、比表面积较大且具有合适的孔道结构；此外碳纳米管(CNTs)具有优良的导电性和电化学稳定性，功能化后的CNTs能改善其PtRu负载能力。本文将生物质介孔碳和功能化碳纳米管作为PtRu催化剂的载体，制备了系列PtRu催化剂并应用于甲醇的电催化氧化。研究工作包括以下两部分：
　　(1) PtRu/LSC-s催化剂的制备及其在DMFC中的应用。首先，以莲蓬壳作为碳源，经水热反应制备得到水热纤维。水热纤维再经盐封、碳化活化后得到生物质介孔碳材料(标记为 LSC-s)。为了对比，水热纤维不经盐封、直接碳化活化制备得到介孔碳材料(标记为LSC)。而后分别以LSC-s和 LSC为载体，NaBH4为还原剂，采用浸渍还原法制备了PtRu/LSC-s和PtRu/LSC催化剂。采用TEM、XRD和XPS对催化剂的形貌和结构进行了表征，结果表明PtRu/LSC-s催化剂上的PtRu纳米粒子分布更均匀，粒径更小，平均粒径为1.77 nm。将两种催化剂用于甲醇的电催化氧化，发现 PtRu/LSC-s催化剂具有更高的甲醇氧化催化活性，其甲醇氧化峰电流密度为798.4 mA mg-1Pt，是PtRu/LSC的1.7倍。
　　(2) PtRu/CNTs催化剂的制备及其在DMFC中的应用。首先，通过重氮化反应在碳纳米管(CNTs)表面共价修饰苯硫酚基团得到 CNTs-PhSH；然后与对苯二硫酚、对氨基苯硫酚在 DMSO中原位聚合得到苯二硫酚低聚物功能化碳纳米管CNTs-Ph(SSPh)nNH2。以两种功能化的碳纳米管为载体，NaBH4为还原剂，采用浸渍还原法制备得到 PtRu/CNTs-Ph(SSPh)nNH2和 PtRu/CNTs-PhSH催化剂。采用TEM和XRD对催化剂进行了表征，结果表明 PtRu/CNTs-PhSH催化剂上的PtRu纳米粒子出现团聚，平均粒径为2.6 nm；而PtRu/CNTs-Ph(SSPh)nNH2催化剂的PtRu粒子分布均匀，平均粒径为2.1 nm。将两种催化剂用于甲醇的催化氧化，电化学数据表明 PtRu/CNTs-Ph(SSPh)nNH2具有更高的甲醇氧化催化活性，其甲醇氧化峰电流密度为520.4 mA mg-1Pt，是PtRu/CNTs-PhSH的1.6倍。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1. 直接甲醇燃料电池

1.2. Pt基催化剂

1.2.1. PtRu催化剂

1.2.2. PtRu催化剂的制备方法

1.3. 催化剂载体

1.3.1. 生物质介孔碳

1.3.2. 碳纳米管

1.4. 本论文研究的目的、内容和意义

第2章 PtRu/LSC-s催化剂的制备及其在DMFC中的应用

2.1. 前言

2.2. 实验部分

2.2.1. 原料与仪器

2.2.2. LSC的制备

2.2.3. LSC-s的制备

2.2.4. PtRu/LSC和PtRu/LSC-s催化剂的制备

2.2.5. 电极的修饰

2.2.6. 电化学测试

2.3. 结果和讨论

2.3.1. 生物质介孔碳载体的制备与表征

2.3.2. PtRu/LSC-s和PtRu/LSC催化剂的制备与表征

2.3.3. PtRu/LSC-s催化剂催化性能的影响因素

2.3.4. 催化剂电化学活性面积

2.3.5. PtRu/LSC-s和PtRu/LSC催化剂在DMFC中的应用

2.4. 本章小结

第3章 PtRu/CNTs催化剂的制备及其在DMFC中的应用

3.1. 前言

3.2. 实验部分

3.2.1. 原料与仪器

3.2.2. 催化剂载体的制备

3.2.3. PtRu/CNTs-Ph(SSPh)nNH2催化剂的制备

3.2.4. 工作电极的制备

3.2.5. 电化学测试

3.3. 结果与讨论

3.3.1. 苯二硫酚低聚物功能化碳纳米管的制备与表征

3.3.2. PtRu催化剂的制备与表征

3.3.3. 电极修饰量对催化剂催化性能的影响

3.3.4. 催化剂对甲醇的电催化氧化

3.3.5. 催化剂电化学活性面积

3.3.6. 电化学交流阻抗测试

3.3.7. 催化剂稳定性研究

3.4. 本章小结

参考文献

总结与展望

致谢

攻读硕士期间发表论文情况

附录A 实验原料及试剂

附录B 分析测试