Pd基合金纳米结构催化剂对乙醇电催化氧化性能的研究

摘要

由于有机小分子液体燃料比气体燃料具有更高的能量密度,且易于存储,近年来直接醇类燃料电池(Direct alcohol fuel cells, DAFCs)受到广泛的关注。在小分子液体燃料中,乙醇无毒,且能通过生物质能源发酵制得,作为一种可再生的绿色环保能源,是非常有应用前景的燃料电池阳极燃料。到目前为止,Pt是应用最广泛的催化剂材料,但其价格昂贵且稳定性有待提高,极大地阻碍了燃料电池的发展和大规模生产。近几年来,许多研究者把注意力集中在发展 Pd这类非铂催化剂上。特别是在碱性电解质溶液中,Pd在催化乙醇电氧化时表现出了优越的催化活性。基于以上原因,我们设计并合成了一系列 Pd基合金结构催化剂。并利用 X射线衍射和透射电镜等技术对其结构和形貌进行了表征,在碱性溶液中考察了样品对乙醇电氧化的催化活性。同时考察了不同温度和不同掺杂金属对 Pd催化性能的影响,具体结果如下:
　　1、在室温条件下,通过液相共还原的方法合成 PdAu纳米粒子,而后在回流条件下,将纳米粒子负载到碳黑表面,制备一系列 PdmAu/C纳米结构催化剂,并在碱性电解质中对甲醇和乙醇电氧化催化活性进行考察。实验结果表明,由于 Au的引入在一定程度上提高了PdmAu/C催化剂的催化活性,其中对乙醇氧化催化活性远远大于甲醇。在研究的组成范围内,Pd1.0Au/C样品表现出最高的乙醇氧化催化活性,其质量比催化活性是单组分 Pd/C催化剂的3.2倍左右。另外,我们还在90℃条件下,通过液相共还原的方法合成了系列PdmAu/C纳米结构催化剂,并在碱性溶液中对乙醇电氧化催化活性和抗 CO中毒能力进行了考察。实验结果与室温条件下合成的催化剂类似。由于 Au的存在,PdmAu/C催化剂的活性和稳定性都大大提高。在研究的组成范围内,Pd1.0Au/C样品具有最高的质量比活性和本征活性,分别是纯 Pd/C催化剂的16.6倍和2.3倍。
　　2、在室温条件下,合成一系列的PdmAg/C合金结构催化剂,并在碱性电解质溶液中对乙醇电氧化催化活性进行考察。实验结果表明,Ag的引入不但增加了PdmAg/C催化剂的催化活性,同时也在一定程度上提高了催化剂的稳定性。催化剂活性和稳定性的提高程度与 Pd/Ag原子比 m有关,在研究的组成范围内,Pd0.5Ag/C样品表现出最高的乙醇氧化催化活性和稳定性,其质量比活性和本征活性分别是 Pd/C催化剂的3.7和2.4倍。
　　3、在特定的电势范围内,利用循环伏安技术对 Pd1.0Ag/C样品进行了去合金处理,通过欠电势沉积的方法制备以多孔 Pd为核,单原子层 Pt为壳层的纳米结构催化剂。通过循环伏安曲线中 Cu的氧化峰,确定了沉积单层 Cu的条件为-0.1 V和180 s,其在碱性介质中对乙醇氧化的催化行为表明,其活性明显高于未经处理的Pd1.0Ag/C样品,质量比催化活性(MSA)为4.0 mAμg-1Pd,是 Pd1.0Ag/C样品(2.9 mAμg-1Pd)的1.4倍左右。另外,乙醇氧化的起始电势比 Pd1.0Ag/C样品低100 mV左右。

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第一章 绪论

1 引言

2 燃料电池

3 质子交换膜燃料电池

4 氧还原反应

5 直接乙醇燃料电池

第二章 室温条件下制备的 PdAu 纳米结构催化剂对乙醇的电氧化催化性能

1 引言

2 实验部分

3 结果与讨论

第三章 90 ℃条件下制备的 PdAu 合金纳米催化剂对乙醇的电氧化催化性能

1 引言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

第四章 双金属 PdAg 纳米结构催化剂对乙醇的电氧化催化活性

1 引言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

第五章 去合金的 Pd1.0Ag/C 催化剂上欠电势沉积 Pt 单原子层的电化学研究

1 引言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

本文总结

论文创新点

参考文献

硕士论文工作期间发表的论文

致谢