钯金催化剂的制备、表征及其电催化氧化乙醇活性的研究

摘要

直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cells，DEFCs)是一种乙醇作为燃料把化学能直接转化为电能的发电装置。目前DEFCs中的阳极催化剂使用贵金属Pt或Pt合金。但Pt资源匮乏且价格昂贵，直接制约了DEFCs的大规模商业化进程。另外，由于Pt受到CO等中间产物的中毒，影响了乙醇的电催化氧化（EOR）的动力学过程。因此，研究低Pt、高活性的阳极催化剂是DEFCs亟待解决的问题。Pd的价格是Pt的1/3，地壳中蕴藏量远高于Pt，更为重要的是，在碱性介质中其EOR活性高于Pt。研究人员发现，纯Pd作为阳极催化剂仍难以摆脱中间产物CO的中毒问题。而Pd的合金，如PdAu/C催化剂显示较高的EOR活性。催化剂的活性和稳定性与其结构、粒径尺寸、分散性等因素有关，而这些因素与其制备方法直接相关。以往PdAu/C催化剂的制备大多是在水相中进行，受水溶液强极性的影响容易团聚，而在单一有机溶剂中获得的金属纳米粒子分散性好，但是由于Pd盐前驱体在有机相中溶解度低，原料的选择受到限制。
　　本研究主要内容包括：⑴以四丁基氢氧化铵作为相转移剂和保护剂，硼氢化钠作为还原剂，在二氯甲烷中成功制备Pd/C-1和不同比例的PdmAu/C-1（m=1、2、3、4）纳米粒子。为了与之作对比，在水相中制备Pd/C-2和PdmAu/C-2（m=1、2、3、4）；⑵XRD结果表明，PdmAu/C-1为合金，而Pd3Au/C-2是异质物理组合的双金属，并未形成合金。 Au的引入改变了PdmAu/C的晶格常数；TEM结果显示，Pd/C-1和PdmAu/C-1中金属颗粒大多均匀地分散在碳载体上，形状较统一，没有明显的大量团聚现象。Pd/C-2和PdmAu/C-2金属粒子分布在活性炭表面，出现明显团聚现象；⑶EOR活性结果表明，不同比例的催化剂中，Pd3Au/C-1和Pd3Au/C-2具有最佳活性。电化学活性结果表明，电催化氧化乙醇的CV图中Pd3Au/C-1的峰电流是Pd3Au/C-2的2.6倍，i-t图中Pd3Au/C-1的稳态电流是Pd3Au/C-2的3.0倍。Pd3Au/C-1和Pd3Au/C-2平均晶体粒径分别为3.67 nm和3.08nm相差不大，但是前者粒径分布均匀而且分散性优于后者；⑷XPS结果表明，在Pd/C的基础上添加Au，使Pd3Au/C-1的3d5/2负移0.77 eV，Pd3Au/C-2负移0.19 eV。Pd3Au/C-1中电子结合能发生较大化学位移，说明Pd表面与Au相互作用加强； O1s结果表明，Pd3Au/C-1表面吸附羟基量（8.10％）高于 Pd3Au/C-2（4.52%）。 Pd与Au之间的相互作用和吸附OH的增加将有利于促进吸附在催化剂表面的中间产物如CO的氧化，有利于提高EOR活性和稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 燃料电池简介

1.2 直接醇类燃料电池

1.3直接乙醇燃料电池 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC)

1.4 Pd基催化剂的制备方法

1.5 课题的提出与研究内容

第二章 实验设计与表征方法

2.1 试剂和仪器

2.2 催化剂制备

2. 3 催化剂的物性表征和电化学性能

第三章 有机相中Pd/C和Pd-Au/C纳米粒子的制备及其电催化氧化乙醇性能的研究

3.1 引言

3.2 碳载铂基催化剂的制备

3.3 相转移法制备Pd3Au/C催化剂过程中TBAOH量的影响

3.4 催化剂的物性表征

3.5 催化剂的电化学测试

3.6 本章小结

第四章 水相中Pd/C和PdmAu/C纳米粒子的制备及其电催化氧化乙醇性能的研究

4.1 引 言

4.2 催化剂的制备

4.3 催化剂的物性表征

4.4 催化剂的电化学测试

4.5 本章小结

第五章．有机相中相转移法和水相中浸渍法制备Pd3Au/C的物性、及其电催化氧化乙醇活性的比较

5.1 引 言

5.2 催化剂的制备

5.3 结果与讨论

5.4 不同组分催化剂对乙醇的催化活性比较

5.5 不同组分的催化剂对乙醇的催化稳定性

5.8 本章小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文