石墨烯负载直接甲醇燃料电池阳极催化剂的合成、表征及其电催化性能研究

摘要

催化剂的催化活性和稳定性严重制约着直接甲醇燃料电池(简称DMFC)的性能。DMFC是质子交换膜燃料电池的一种，其以众多的优势引起了广泛的关注。迄今为止Pt基纳米材料是DMFC中应用最广泛的催化剂。制备具有较高的催化稳定性和催化活性的阳极催化剂材料是目前DMFC燃料电池研究的热点。本论文制备了多种新型的石墨烯材料负载的Pt基DMFC阳极催化剂，并对其电催化性能和催化稳定性能进行了详尽的研究。研究内容包括以下三个方面:
　　 1.以卟啉(TMPyP)功能化的石墨烯为载体，NaBH4为还原剂，制备了Pt/TMPyP/graphene催化剂。通过透射电子显微镜(TEM)，X射线光电子能谱(XPS)，热重分析(TGA)等方法对所制备的催化剂进行表征。用电化学方法研究了Pt/TMPyP/graphene催化剂对甲醇的电催化活性，研究结果表明Pt/TMPyP/graphene催化剂对甲醇有较好的催化活性和稳定性。
　　 2.通过界面聚合的方法制备石墨烯负载的聚苯胺(PANI/GO)纳米复合材料，然后将PANI/GO纳米复合材料经过高温处理制得氮掺杂的石墨烯(NGs)纳米复合材料，以NGs为载体均匀的负载Pt NPs制备Pt/NGs纳米复合材料，用循环伏安法研究了Pt/NGs纳米复合材料对甲醇和氧气的电催化活性，研究结果表明Pt/NGs纳米复合材料对甲醇和氧气具有非常高的电催化活性和稳定性。
　　 3.首先用PDDA将石墨烯的表面功能化(PDDA/graphene)，以PDDA功能化的石墨烯为载体，制备了石墨烯负载的PtMn雪花状纳米复合材料催化剂。通过透射电子显微镜(TEM)，能量色散X射线光谱仪(EDX)对制备的纳米花状结构进行了表征。用电化学方法研究了PtMn/PDDA/graphene催化剂对甲醇的电催化活性，数据表明PtMn/PDDA/graphene催化剂对甲醇的催化活性很高，并且具有很高的催化稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 燃料电池概述

1．1．1 燃料电池的工作原理

1．1．2 燃料电池的分类

1．1．3 燃料电池的特点和优势

1．2 直接甲醇燃料电池(DMFC)研究概述

1．2．1 直接甲醇燃料电池的工作原理

1．2．2 催化剂中毒机理研究

1．3 甲醇燃料电池(DMFC)阳极催化剂的研究

1．3．1 Pt基催化剂的研究进展

1．4 碳载体在DMFC阳极催化剂中的应用研究

1．4．1 碳黑作为DMFC阳极催化剂载体材料的研究

1．4．2 碳纳米管和氮掺杂的碳纳米管作为阳极催化剂载体材料的研究

1．4．3 石墨烯和氮掺杂石墨烯作为DMFC阳极催化剂载体材料的研究

1．4．4 其他碳材料作为DMFC阳极催化剂载体材料的研究

1．5 本论文的主要研究内容

参考文献

第2章 高分散Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的制备及其电催化活性及稳定性研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器和试剂

2．2．2 氧化石墨烯的制备

2．2．3 TMPyP功能化石墨烯的制备

2．2．4 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的制备

2．2．5 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料修饰电极的制备

2．3 催化剂的表征

2．3．1 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的合成过程

2．3．2 TMPyP／Graphene oxide纳米复合材料的紫外表征

2．3．3 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的X射线光电子能谱(XPX)表征

2．3．4 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的形貌表征

2．3．5 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的热重分析曲线(TGA)表征

2．3．6 Pt纳米粒子不同负载量纳米复合材料的TEM表征

2．3．7 Pt／TMPyP／graphene纳米复合材料的电化学性能研究

2．4 Pt／TMPyP／graphene抗毒化机理研究

2．5 小结

参考文献

第3章 氮掺杂石墨烯高分散负载Pt纳米粒子复合材料的制备及其电催化活性及稳定性研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器和试剂

3．2．2 氧化石墨烯的制备

3．2．3 液-液界面法合成聚苯胺虞化石墨烯(PANL／GO)纳米复合材料

3．2．4 高温热处理法制备氮掺杂石墨烯(NGs)

3．2．5 氯掺杂石墨烯负载铂纳米(Pt／NGs)催化剂的制备

3．2．6 Pt／NGs纳米复合材料修饰电极的制备

3．3 催化剂的表征

3．3．1 Pt／NGs纳米复合材料的合成过程示意图

3．3．2 纳米复合材料的X射线光电子能谱(XPS)表征

3．3．3 纳米复合材料的表征紫外光谱、拉曼光谱和X射线衍射(XRD)表征

3．3．4 纳米复合材料的形貌表征

3．3．5 纳米复合材料的热重分析(TGA)表征

3．3．6 纳米复合材料的电化学性能研究

3．4 小结

参考文献

第4章 石墨烯负载PtMn纳米复合材料的制备及其电催化活性及稳定性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器和试剂

4．2．2 氧化石墨烯的制备

4．2．3 PDDA功能化石墨烯的制备

4．2．4 PtMn／PDDA／graphene和Pt／PDDA／graphene纳米复合材料的制备

4．3 催化剂的表征

4．3．1 纳米复合材料的形貌表征

4．3．2 纳米复合材料的能量色散X射线光谱仪(EDX)表征

4．3．3 纳米复合材料的电化学催化性能表征

4．3．4 纳米复合材料的电化学催化稳定性能表征

4．4 小结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果