金属纳米粒子/石墨烯复合催化剂的组装及其在电催化方面的应用

摘要

燃料电池是一种能够将化学能直接转变成为电能的能量转换装置。它具有燃料来源广、能量转换效率高、清洁环保、适用范围广等优点，对于解决当今世界面临的能源危机和环境污染这两大难题具有十分重要的意义,目前受到了国内外科研工作者的广泛关注。迄今为止，铂是燃料电池应用最为广泛的阳极催化剂，但是铂储量少、价格昂贵并且易受到中间产物的毒化严重阻碍了燃料电池的商业化进程。因此，降低铂的用量、提高催化剂的催化性能一直是燃料电池研究的热点。研究表明催化剂载体在降低催化剂的用量、提高催化剂的催化性能方面起着非常重要的作用。石墨烯具有大的比表面积、良好的导电性和热力学/化学稳定性,被认为是燃料电池理想的催化剂载体。
　　本文以石墨烯作为载体，采用化学和电化学方法制备了一系列金属/石墨烯复合催化剂，详细研究了复合催化剂对甲醇和乙醇的电催化性能。研究内容主要有以下五个方面：
　　(1)采用乙醇作为还原剂，一步同时还原H2PtCl6,HAuCl4,RuCl3和氧化石墨烯(GO)，制备了PtAuRu/RGO催化剂。所制备的PtAuRu/RGO催化剂通过XRD、EDX、TEM、Raman和XPS进行了表征。电化学测试结果表明PtAuRu/RGO催化剂对甲醇的电催化氧化性能及稳定性均高于PtAu/RGO, PtRu/RGO和Pt/RGO催化剂。
　　(2)采用一种绿色的方法，在没有表面活性剂和稳定剂的条件下制备了不同Pt/Pd比例的PtPd/RGO复合催化剂。所制备的复合催化剂通过 XRD、TEM、HRTEM、Raman、XPS及其电化学方法进行了表征。HRTEM结果表明所制备的金属纳米粒子表现出良好的晶格结构。循环伏安和计时电流测试均表明：相比于单金属Pt或Pd催化剂，双金属PtPd催化剂对乙醇具有更高的催化性能和稳定性，当Pt/Pd比例为3:1时，催化效果最好。
　　(3)采用简单的电化学方法制备了一种新型的聚邻甲氧基苯胺修饰的石墨烯复合材料(POMA/GE)，以此为载体负载PtNi纳米粒子。PtNi/POMA/GE催化剂的形貌和结构通过SEM、TEM、EDX和Raman进行了分析。采用电化学技术例如：循环伏安法、计时电流法、计时电位法以及阻抗光谱研究了催化剂对甲醇的电催化氧化性能。结果发现，相比于PtNi/GE/GC，PtNi/POMA/GC和PtNi/GC催化剂，PtNi/POMA/GE/GC催化剂对甲醇的催化效果最好，表明POMA/GE可作为甲醇燃料电池一个良好的催化剂载体。
　　(4)采用简单的方法合成了聚多巴胺还原并修饰的氧化石墨烯复合材料(PDA-RGO)，并以此为载体负载不同 Pt/Au比例的PtAu纳米粒子。所制备的PtAu/PDA-RGO复合材料采用TEM、HRTEM、Raman、EDX、XRD、XPS以及电化学测试进行了分析。结果发现，聚多巴胺(PDA)在提高催化剂的分散性和稳定性方面起着非常重要的作用。相比于单金属 Pt/PDA-RGO催化剂，双金属PtAu/PDA-RGO催化剂对甲醇的氧化具有较高的电催化活性，Pt/Au比例为3:1时，催化效果最好。此外，PtAu(3:1)/PDA-RGO催化剂的对甲醇的催化性能还高于PtAu(3:1)/RGO和PtAu(3:1)/C催化剂，表明PDA-RGO有希望在燃料电池载体方面得到应用。
　　(5)以1,6-己二胺功能化的石墨烯作为载体(HD-RGO)，负载Pd纳米粒子，制备出了一种新型的复合催化剂Pd/HD-RGO。所制备的复合催化剂通过FTIR、XPS、SEM、TEM、XRD以及电化学测试进行了详细的表征。电化学实验结果表明，相比于Pd/RGO和商业的Pd/C催化剂，Pd/HD-RGO催化剂在碱性条件下乙醇氧化表现出高的催化性能、好的抗毒化性能和稳定性能。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 燃料电池简介

1.3 燃料电池催化剂的研究

1.4燃料电池催化剂载体

1.5选题意义、主要研究内容及创新点

参考文献

第二章 实验部分

2.1 实验试剂与仪器

2.2 催化剂的物理表征

2.3 催化剂的电化学性能测试

第三章 PtAuRu/RGO 复合材料的制备及其对甲醇的电催化性能研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.3结果和讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章PtPd/RGO复合材料的制备及其对乙醇的电催化

4.1 引言

4.2实验部分

4.3结果和讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 聚邻甲氧基苯胺修饰的石墨烯复合材料的制备及负载PtNi纳米粒子对甲醇的电催化氧化

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 聚多巴胺修饰的石墨烯负载PtAu纳米粒子对甲醇的电催化氧化

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

参考文献

第七章 己二胺功能化的石墨烯负载高分散Pd纳米粒子的制备及对乙醇的电催化性能

7.1 引言

7.2 实验部分

7.3 结果与讨论

7.4 本章小结

参考文献

第八章 论文工作总结与展望

8.1 主要结论

8.2 研究展望

攻读博士学位期间发表的论文

国内外核心学术刊物上发表的论文

国内国际学术会议上发表的论文或摘要

致谢