低碳醇在钯纳米修饰氧化铟锡电极上的电催化氧化研究

摘要

直接醇类燃料电池（Direct alcohol fuel cell，缩写为DAFC）作为一种新型的绿色能源，对解决目前世界面临的能源短缺和环境污染这两大难题具有跨时代的重要意义。ITO导电膜玻璃是一种新颖的电极材料，具有良好的导电性和超大的表面积，它可以作为贵金属纳米材料的载体，极大提高催化剂的利用率。基于钯纳米粒子高吸附性、高比表面积、高电催化活性等特点，本论文主要通过循环扫描法制备出高电活性、高灵敏度的钯纳米修饰氧化铟锡（Pd NPs/ITO）电极，并将其应用于低碳醇（包括甲醇、乙醇、丙醇等）的电催化氧化研究中。
　　第一章:简介直接醇类燃料电池的发展状况，对钯纳米修饰电极在醇电催化氧化中的研究进展进行综述。
　　第二章:通过化学沉积法和循环伏安扫描法成功制备了Pd NPs/ITO电极。采用循环伏安法考察了标准氧化还原电对[Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-中该电极的电活性，并利用电子扫描电镜对电极表面的形貌进行表征。此外还分析研究了电极在不同电势范围内发生的电化学反应过程以及反应温度、通氮气和电极放置时间对电化学检测的影响。结果表明:ITO导电膜玻璃的引入大大提高了电催化剂Pd纳米的利用率，使得Pd NPs/ITO电极具有良好的电活性;由不同电势范围内该电极在碱性溶液中的循环伏安行为可知，对于氢的吸附和脱附可以通过扫描电势范围的大小来控制;经过实验条件的考察得出Pd NPs/ITO电极的最佳反应温度为65℃，电解液中通入氮气可以排除溶解氧的干扰，该电极在1个月内能够保持良好的活性。
　　第三章:采用简单的循环伏安扫描法制备得到高电活性的Pd NPs/ITO电极，并用该电极研究了室温下氢氧化钠溶液中甲醇和乙醇的电氧化反应，对各自的电化学反应过程进行了洋细探讨。随后考察了反应物浓度，扫描速率对甲醇和乙醇在PdNPs/ITO电极上电催化氧化反应的影响。对比发现，甲醇和乙醇在Pd NPs/ITO电极上的电催化活性都比纯金属钯电极好（甲醇约为纯金属钯电极的2倍，乙醇约为纯金属钯电极的4倍）。甲醇和乙醇氧化峰电流的强度均与各自的浓度及扫描速率的开方成正比，且保持良好的线性关系，说明两种醇在Pd NPs/ITO电极上的反应都属于扩散控制过程。
　　第四章:首先利用循环伏安扫描法制得的Pd NPs/ITO电极研究了室温下碱性电解液中正丙醇和异丙醇的电催化氧化反应，并就反应物浓度，扫描速率对丙醇和异丙醇在该电极上电催化氧化反应的影响进行考察，发现正丙醇和异丙醇氧化峰电流的强度ipa均与各自的浓度c及扫描速率的开方v1/2成正比，说明这两种醇在Pd NPs/ITO电极上的反应都属于扩散控制过程。然后对甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇进行综合对比，得出碱性介质中低碳醇在Pd NPs/ITO电极上的电催化氧化符合以下规律:(1)不同醇分子的电氧化具有类似的循环伏安特性。醇的氧化峰电流强度远大于氢的脱附和吸附峰，说明在-1.4～0.6V电势范围内这些醇或其解离产物会吸附在Pd NPs/ITO电极表面并抑制氢的吸附和脱附，使得醇的氧化作用占主导地位;氢的脱附和吸附峰位置相对稳定，分别出现在-0.4V和-0.5V左右;阴极扫描过程中-0.4～0.3V电势范围内的曲线几乎完全重合。(2)根据醇氧化峰电流强度的大小推断出Pd NPs/ITO电极对四种醇的催化活性顺序为:乙醇＞正丙醇＞甲醇＞异丙醇。(3)可以根据醇氧化峰位置的差异大致判断醇的种类。
　　第五章:利用化学沉积法制备的Pd NPs/ITO电极，通过电化学方法分别在酸性和碱性电解液中初步研究了室温下钯纳米对甲烷气体的电催化响应。发现酸性和碱性电解液中的循环伏安特征相近，只是峰电位不同。通甲烷至饱和后，氧化峰电流强度有所下降，且出现分岔现象，氧化峰位置也向正偏移。可能是由于溶解到电解液中的甲烷部分吸附在Pd NPs/ITO电极表面，阻碍了Pd本身的电化学反应，同时经钯纳米催化甲烷的电氧化。这为研制新型甲烷纳米气体传感器提供了新思路。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2．低碳醇电催化氧化研究进展

1．2．1 甲醇的电催化氧化

1．2．2 其它醇的电催化氧化

1．3 纳米修饰电极研究概述

1．3．1 修饰电极的纳米材料特性

1．3．2 纳米修饰电极的制备

1．3．3 纳米修饰电极的表征

1．4 钯纳米修饰电极上醇的电催化氧化

1．4．1 Pd纳米粒子的制备和表征

1．4．2 Pd纳米修饰电极的应用

1．4．3 Pd NPs／ITO电极在醇电催化氧化中的应用研究

1．5 本论文的立题背景和主要内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 特色和创新之处

参考文献

第二章 Pd NPs／ITO电极的制备和表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 电化学检测装置

2．2．3 ITO电极的预处理

2．2．4 Pd NPs／ITO电极的制备

2．2．5 Pd NPs／ITO电极的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 固定电极表面的方法选择

2．3．2 Pd NPs／ITO电极的制备方法

2．3．3 Pd NPs／ITO电极表面形态的表征

2．3．4 Pd NPs／ITO电极电化学活性的表征

2．3．5 Pd NPs／ITO电极在不同电势范围内的电化学行为

2．3．6 实验条件对Pd NPs／ITO电极的影响

2．4 本章小结

参考文献

第三章 甲醇和乙醇在Pd NPs／ITO电极上的电催化氧化

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 Pd NPs／ITO电极的制备

3．2．3 电化学检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 碱性溶液中甲醇在Pd NPs／ITO电极上的电催化氧化

3．3．2 甲醇浓度对甲醇电氧化的影响

3．3．3 扫描速率对甲醇电氧化反应的影响

3．3．4 碱性溶液中乙醇在Pd NPs／ITO电极上的电催化氧化

3．3．5 乙醇浓度对乙醇电氧化的影响

3．3．6 扫描速率对乙醇电氧化反应的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 正丙醇和异丙醇在Pd NPs／ITO电极上的电催化氧化

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 Pd NPs／ITO电极的制备

4．2．3 电化学检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 Pd NPs／ITO电极上正丙醇浓度对其电氧化的影响

4．3．2 扫描速率对正丙醇电氧化反应的影响

4．3．3 Pd NPs／ITO电极上异丙醇浓度对其电氧化的影响

4．3．4 扫描速率对异丙醇电氧化反应的影响

4．3．5 四种低碳醇的电催化氧化

4．4 本章小结

参考文献

第五章 基于Pd NPs／ITO电极检测甲烷的初探

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 Pd NPs／ITO电极的制备

5．2．3 电化学检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 酸性溶液中Pd NPs／ITO电极对甲烷气体的循环伏安响应

5．3．2 碱性溶液中Pd NPs／ITO电极对甲烷气体的循环伏安响应

5．4 本章小结

参考文献

总结与展望

硕士期间发表论文

致谢

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