锡基复合氧化物担载Pt催化剂的制备及对甲醇电催化氧化性能

摘要

直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cells,简称DMFCs）由于具有燃料便于储备、操作温度要求较低（<100℃）、能量工作效率高、运输便捷、环保低污染和启动快等受到人们的广泛青睐，是21世纪迅速发展的环保无污染绿色能源。但迄今为止，该类燃料电池的商业化应用还受到一定局限。其原因之一是DMFCs的催化剂还主要是以Pt为主，Pt不仅价格昂贵，而且Pt在甲醇氧化过程中容易被中间产物所毒化，从而造成其催化稳定性和活性显著降低。此外，Pt的催化性能还有待提高，氧化物作为Pt催化剂的有效助剂已被广泛关注，但氧化物自身较差的导电性往往限制了氧化物在Pt电催化剂中的应用。碳载体的存在使得氧化物对Pt的助催化作用机理研究也更为复杂。
　　为此，本文制备了锡基复合氧化物，以此为载体来担载Pt催化剂，解决Pt催化剂在DMFCs应用中的局限性，考察了在碱性条件下金属氧化物载体和传统C载体担载Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性。利用透射电镜（TEM）、X射线衍射谱（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等分析技术，对样品的组成、结构和形貌等进行了详细表征。通过循环伏安法、计时电流曲线等电化学技术对样品进行了电化学性质表征。结果显示，以复合氧化物载体替代传统的碳载体担载Pt催化剂，能够显著提高Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性和抗CO中毒能力。具体结果如下：
　　1.用水热法制备了复合金属氧化物InxSnO2，并用其作为载体担载Pt催化剂，考察了在碱性条件下金属氧化物载体和传统C载体担载Pt催化剂对甲醇催化氧化的性能。通过循环伏安法、计时电流曲线等电化学技术对样品进行电化学表征，结果显示，用InxSnO2载体替代传统的碳载体担载Pt催化剂，能够显著提高Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性和抗CO中毒能力。将少量的铟掺杂到二氧化锡载体中，Pt催化剂的催化活性和稳定性即可得到显著提升，Pt/In0.1SnO2催化剂的质量比活性(MSA)和本征活性(IA)分别是Pt/C催化剂的3.0倍和4.3倍，这可能是由于Pt的电子结构发生了变化所致。以上结果表明，复合金属氧化物不仅可以作为催化剂的载体，还对Pt催化氧化甲醇起到助催化作用。
　　2.用水热法制备了复合金属氧化物TixSn1-xO2，并以其作为载体担载Pt催化剂。通过循环伏安法、计时电流曲线等电化学技术对样品进行电化学表征，结果显示，用TixSn1-xO2载体替代传统的碳载体担载Pt催化剂，能够显著提高Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性和抗CO中毒能力。其中Pt/Ti0.2Sn0.8O2样品的MSA和IA分别是商业Pt/C催化剂的2.5和2.1倍。以上结果表明，复合金属氧化物不仅可以作为催化剂的载体，还对Pt催化氧化甲醇起到助催化作用。
　　3.乙醇无毒，且可从生物质获得，是直接醇类燃料电池的另一理想燃料。本文利用水热法制备了复合金属氧化物SnO2，并用其作为载体担载Pd催化剂，考察了Pd/SnO2催化剂在碱性介质中对乙醇电氧化反应的催化性能。通过循环伏安法和计时电流曲线对样品进行电化学表征，结果显示采用非碳型载体SnO2替代传统的碳载体担载Pd催化剂，能够显著提高Pd催化剂对乙醇电氧化反应的催化活性和稳定性。对Pd/SnO2催化剂来说，单位质量Pd上乙醇氧化的峰电流是Pd/C催化剂的1.4倍。

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第一章 绪论

1引言

2燃料电池

2.1 燃料电池发展史

2.2燃料电池的概念以及结构

2.3 燃料电池的工作原理和特点

2.4 燃料电池的分类

3 质子交换膜燃料电池

3.1 质子交换膜燃料电池简介

3.2 质子交换膜燃料电池的优点

3.3 质子交换膜燃料电池的缺点

3.4 质子交换膜燃料电池的应用

4 氧还原反应

5 直接甲醇燃料电池

5.1 直接甲醇燃料电池的工作原理

5.2直接甲醇燃料电池的研究方向

5.3直接甲醇燃料电池中阳极催化剂的研究

5.4 直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体的种类以及制备方法

第二章In掺杂SnO2作载体对Pt上甲醇氧化反应的助催化作用

1 引言

2 实验部分

2.1 化学试剂

2.2所用仪器

2.3金属氧化物载体的制备

2.4制备Pt/InxSnO2催化剂

2.5电极制备和电化学测试

2.6 Pt/InxSnO2催化剂的电化学测试

3 结果与讨论

3.1 Pt/InxSnO2催化剂的表征

3.2碱性条件下Pt/InxSnO2催化剂的电催化性能

4结论

第三章 Ti掺杂SnO2作载体对Pt上甲醇氧化反应的助催化作用

1引言

2 实验部分

2.1 化学试剂

2.2所用仪器

2.3金属氧化物载体的制备

2.4制备Pt/ TixSn1-xO2催化剂

2.5电极制备

2.6Pt/ TixSn1-xO2催化剂的电化学测试

3 结果与讨论

3.1 Pt/TixSn1-xO2催化剂形态和结构的表征

3.2 电化学性质测试

第四章 P d/SnO2纳米结构催化剂对乙醇氧化反应的电催化性能

1 引言

2 实验部分

2.1 化学试剂

2.2所用仪器

2.3制备Pd/SnO2催化

2.4电极制备

2.5 Pd/SnO2催化剂的电化学测试

3 结果与讨论

3.1 Pd/ SnO2催化剂的形态及结构表征

3.2 电化学性质测试

本文总结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢