钽基复合催化剂的制备及其对甲醇/乙醇电催化活性研究

摘要

近年来，由于化石燃料的大量消耗，一方面因其不可再生，储量越来越少；另一方面因化石燃料的燃烧会造成严重的环境污染问题，导致严重的环境污染和全球气候变暖。而直接醇类燃料电池（DAFCs）可直接通过电化学氧化的形式将化学能转化为电能。其中间产物和最终的转化产物具有较小的环境污染，而且不受卡诺循环的限制，具有高的能源转化效率，对于解决能源问题来说具有重大的研究意义。目前，DAFCs商业化面临以下问题：第一，醇类氧化电极材料大多使用Pt或Pt基材料，因其资源匮乏，价格昂贵，造成制作成本高；第二，Pt基催化剂容易吸附醇类氧化的中间产物（如CO等），发生催化剂中毒，降低其催化活性。本文从制备催化剂和改性方面着手，制备了一系列以Ta基材料为主的催化剂，用作直接甲醇/乙醇燃料电池的阳极醇氧化电催化剂。本研究制备了五氧化二钽纳米柱负载Au纳米粒子（Au/Ta2O5Ns）、五氧化二钽纳米柱负载Au纳米粒子并与石墨烯复合（Au/Ta2O5Ns-rGO）以及以碳球为基底吸附Ta5+并负载Au纳米粒子（Au/C(Ta））复合催化剂。 研究内容主要有以下几个方面： （1）采用回流法制备不同比例Au/Ta2O5Ns，用X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X-射线光电子谱（XPS）等技术对样品的晶形、形貌等进行了测试。利用密度泛函理论（DFT）对Ta2O5负载Au后，对其电子传递速率、微观结构等进行了讨论。计算结果表明，Au和Ta2O5复合区中的电荷转移作用增强，这有助于提高其电催化活性。通过循环伏安法（CV）、时间-电流法（I-t），交流阻抗法（EIS）等技术对其电催化活性、稳定性以及在测试条件下的阻抗等性质进行了测试。结果表明，该催化剂在酸性和碱性介质中，对甲醇和乙醇均有良好的电催化活性。 （2）在对Au/Ta2O5Ns研究的基础上，选择以石墨烯（rGO）为载体，采用回流法合成了Au/Ta2O5Ns-rGO复合催化剂。利用XRD、SEM、TEM、XPS、比表面积（BET）等测试手段对制备的复合催化剂进行了表征。XRD和XPS结果表明，rGO的加入没有影响Au/Ta2O5Ns的晶形与Au价态；SEM与TEM结果显示，rGO和Au/Ta2O5Ns之间进行了很好的复合。EIS和BET测试结果显示，rGO的加入使得催化剂的导电性增强、比表面积增大、活性位点增多。电化学性能测试表明，该催化剂在酸性和碱性介质中，对甲醇/乙醇有良好的电催化活性，抗CO中毒和稳定性均有所提升。 （3）首先利用低温水热方法合成碳球，然后吸附Ta5+，再将催化性能较好的Au纳米粒子负载于表面，制得不同负载比例Au/C(Ta)催化剂，并通过XRD、SEM、TEM、XPS等对催化剂的结构和形貌进行表征。通过电化学技术（CV、EIS、I-t等）测试了该催化剂在酸性和碱性介质中对甲醇和乙醇催化氧化性能。结果表明，Au/C(Ta)催化剂具有较高的电催化活性、低的阻抗、强的抗CO中毒能力和较好的稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2燃料电池概述

1.3直接醇类燃料电池

1.4选题思路和研究内容

参考文献

第二章 实验试剂与仪器

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器

2.3 样品测试与分析条件

第三章 Au负载Ta2O5纳米柱电催化剂对甲醇/乙醇的催化性能研究

3.1引言

3.2实验过程

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Au负载Ta2O5纳米柱与rGO复合电催化剂对甲醇/乙醇的电催化性能研究

4.1引言

4.2实验过程

4.3结果与讨论

4.4本章小结

参考文献

第五章 Au负载C球吸附Ta电催化剂对甲醇/乙醇的电催化性能研究

5.1引言

5.2实验过程

5.3结果与讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

研究成果

致谢