应用于直接乙醇燃料电池阳极的非铂纳米催化材料研究

摘要

低贵金属Ru、Pd由于具有与Pt相似的未充满的价层d轨道,将其负载于碳载体上作为乙醇阳极催化剂时表现出优良的催化活性和稳定性,逐渐成为替代Pt类贵金属的乙醇氧化的催化材料。本研究工作在传统的液相还原的基础上,采用高分子聚合物PVP进行络合保护,得到了以Ru和Pd为主要活性成分的碳载纳米复合材料,采用电化学测试方法对催化剂乙醇氧化性能和稳定性进行了分析。
　　 本文采用高分子保护-液相还原法制备得到的Ru-PVP-C复合催化材料呈球形粒状,粒径约5～7 nin,金属Ru纳米颗粒均匀地分散在碳载体上。并重点研究了Ru-PVP-C纳米复合材料的制备条件对乙醇催化活性的影响,优化制备工艺。在制备过程中先加入碳载体,金属Ru含量3.6％,PVP:Ru的摩尔比5:1,反应温度在60～40℃范围内,助催化剂CeO2与Ru的摩尔比为1:1时,对乙醇的电化学氧化有最佳催化活性。此外,以低贵金属Ru为主要活性成分,添加廉价的过渡金属Mn、Co、Ni等,大大提高了催化剂的催化活性,且降低了低贵金属Ru的用量。
　　 在碱性介质中,单金属Pd-PVP-C复合催化材料对乙醇的电化学氧化显示出优良的催化性能和稳定性,其粒径约5～6nm,形貌均匀,分散性好。在金属Pd的基础上添加金属Ni,粒径减小,约4～5 nm,团聚现象得到明显改善,分散均匀,稳定性好。XRD结果证实了产物为面心立方(fcc)结构的金属Pd、Ni以及Ni(OH)2。优化Pd:Ni的原子比为1:1.5,金属Pd含量1.50％时对乙醇氧化的催化活性和抗中间产物毒化的能力更高。
　　 最后,以自制M-PVP-C电极为负极,气体扩散电极为正极组装小型电池。6 mol·L-1 C2H5OH+6 mol·L-1 KOH作为负极电解质,6mol·L-1 KOH作为正极电解质,以隔膜隔开,其放电性能良好,出现稳定的放电平台。考察了电解质、正负极材料和隔膜对电池放电性能的影响。

目录

文摘

英文文摘

绪论

第一章 文献综述

1.1 直接乙醇燃料电池(DEFC,Direct Ethanol Fuel Cell)

1.1.1 DEFC的研究现状

1.1.2 研究直接乙醇燃料电池的必要性

1.1.3 DEFC目前存在的问题

1.1.4 DEFC的工作原理及基本结构

1.1.5 乙醇在酸性介质中电氧化的催化机理

1.2 DEFC阳极催化剂的研究进展

1.2.1 Pt系贵金属电催化剂

1.2.2 非铂金属电催化剂

1.3 纳米催化材料

1.3.1 金属纳米颗粒的表面特性

1.3.2 过渡金属纳米催化材料的制备方法

1.4 论文研究背景及意义

第二章 实验原理与方法

2.1 实验基本试剂与仪器

2.1.1 基本试剂

2.1.2 主要仪器

2.2 实验原理与制备方法

2.2.1 复合催化剂的制备方法

2.2.2 助催化剂CeO2的制备方法

2.2.3 复合催化材料制备过程的影响因素

2.3 物理化学表征

2.3.1 红外吸收光谱(IR)

2.3.2 X射线衍射(XRD)

2.3.3 透射电镜(TEM)

2.4 催化材料的电化学性能测试

2.4.1 电极的制备

2.4.2 测试体系

2.4.3 单电池结构

2.5 电化学测试技术

2.5.1 循环伏安法

2.5.2 计时电流法

2.5.3 计时电位法

2.5.4 交流阻抗法

2.5.5 放电测试

第三章 乙醇在Ru催化作用下的电化学氧化研究

3.1 Ru-PVP-C复合催化剂的表征

3.1.1 红外吸收光谱图分析

3.1.2 Ru-PVP-C的XRD分析

3.1.3 Ru-PVP、Ru-PVP-C的TEM分析

3.2 纯碳对乙醇电化学氧化的催化性能研究

3.2.1 纯碳电极的循环伏安测试

3.2.2 纯碳电极的计时电流测试

3.3 Ru-PVP-C对乙醇电氧化的催化性能研究

3.3.1 Ru-PVP-C电极的循环伏安测试

3.2.2 Ru-PVP-C电极的计时电流测试

3.3.3 Ru-PVP-C电极的交流阻抗测试

3.4 Ru-PVP-C复合催化剂制备条件的研究

3.4.1 掺碳次序

3.4.2 金属含量

3.4.3 PVP保护剂的用量

3.4.4 还原剂的加入温度

3.4.5 反应温度

3.4.6 助催化剂CeO2

3.4.7 第二金属元素掺杂

3.5 本章小结

第四章 乙醇在Pd、PdNi催化作用下的电化学氧化研究

4.1 Pd-PVP-C复合催化剂的表征

4.1.1 Pd-PVP-C的XRD分析

4.1.2 Pd-PVP-C的TEM分析

4.2 Pt对乙醇电化学氧化的催化性能研究

4.2.1 Pt-C电极的循环伏安测试

4.2.2 Pt-C电极的计时电流测试

4.3 Pd-PVP-C对乙醇电氧化的催化性能研究

4.3.1 Pd-PVP-C电极在不同电解液中的循环伏安测试

4.3.2 Pd-PVP-C电极在不同扫描速率下的循环伏安测试

4.3.3 Pd-PVP-C电极在不同电位下的计时电流测试

4.3.4 Pd-PVP-C电极在不同电位下的交流阻抗测试

4.3.5 Pd-PVP-C电极的计时电位测试

4.4 PdNi-PVP-C对乙醇电氧化的催化性能的研究

4.4.1 Pd1Ni1.5-PVP-C复合催化材料的XRD分析

4.4.2 Pd1Ni1.5-PVP-C的TEM分析

4.4.3 PdNi-PVP-C和Pd-PVP-C对乙醇催化活性的比较

4.4.4 Pd1Ni1.5-PVP-C电极中的Pd含量对乙醇催化性能的影响

4.5 小型电池的放电性能

4.5.1 电解液的选择

4.5.2 正极材料的选择

4.5.3 隔膜的选择

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文