TiO2纳米管掺杂低铂载量二元合金催化剂的醇类氧化催化性能的研究

摘要

目前制约直接醇类燃料电池(DAFC)发展的技术瓶颈之一就是阳极电氧化反应的催化剂问题。由于甲醇氧化中间产物CO等的存在,会使阳极催化剂的活性大大降低。以铂为活性催化组分的催化剂,存在着贵金属成本高昂、在醇类溶液体系中易被CO等醇氧化中间产物吸附中毒等问题。而现有的铂系合金催化剂研究虽然在不同程度上提高了催化剂的稳定性,但并没有减少催化剂成本。Ni、Sn作为过渡金属元素,都具有价格低廉,易于制备的优点,且在醇类氧化反应催化方面的研究较多。但是常见的Pt-Ni、Pt-Sn催化剂中Pt含量仍在20%及以上,催化剂成本并未得到有效控制。纳米TiO2在酸、碱介质中有极好的稳定性,TiO2纳米管具有比TiO2颗粒更大的比表面积和更强的吸附能力,可以提高TiO2的使用效率。但由于TiO2本身又是一种半导体,材料本身的电导率较低,所以不能将其单独作为催化剂载体使用。本论文根据上述方向,采用连续式微波助多元醇法,将TiO2纳米管掺杂到含Pt 5 wt.%的Pt-M/C(M=Ni,Sn)体系中,研究其电催化性能。结果发现,TiO2纳米管的掺入,使得催化剂表面在醇类氧化反应中提供更多的含氧活性物种,改善了催化剂的抗CO中毒能力,提高催化剂在醇体系中的稳定性；同时减少Pt的用量,降低催化剂的成本。主要研究结果如下：1.在700W功率、工作3段、每段20s(间隔冷却时间10s)的微波条件下,双金属共沉积制备的催化剂的醇氧化能力最佳。2.单电池性能测试,发现掺杂TiO2NT后的催化剂在甲醇-水溶液中的稳定开路电压达到0.488 V。最大功率密度为9.74 mW/cm2,达到了同样催化剂总体载量下、含Pt 20 wt.%的商业Pt-Ru/C催化剂性能的60%。XPS测试发现,掺杂TiO2NT后,单质Pt的摩尔含量明显提高,增加了Pt的有效活性位；同时催化剂表面羟基明显增多,多余的羟基在醇类氧化过程中有效去除CO等中间产物,使催化剂不易中毒,氧化性能明显提高,同时也提高了催化剂的醇氧化寿命。3.保持Pt含量5w.t%不变的条件下,Pt：Sn和Pt：TiO2NT的比值分别为3：1和1：(7摩尔比)时,催化剂的催化活性最佳。以XPS来确定各元素的存在形式,进一步分析TiO2NT掺入Pt-Sn/C催化剂后电催化性能变化的原因。发现Sn元素的主要存在形式是SnO。掺杂TiO2NT后,单质Pt的摩尔含量明显提高,增加了Pt的有效活性位,同时催化剂表面羟基明显增多,多余的羟基在乙醇氧化过程中有效去除CO等中间产物,使催化剂不易中毒,氧化性能明显提高。循环伏安测试结果表明该催化剂对铂的利用率要高于商业催化剂。但是该催化剂在甲醇体系中性能较差。4.根据对TiO2NT掺杂这两种合金催化体系的研究,归纳其共性,发现选取微波法制备的TiO2纳米管,以微波助多元醇方法直接制备掺杂TiO2纳米管的低铂载量(5 wt%)的Pt-M(M=Ni、Sn,etc.)合金催化剂,在固定组成下,Pt、M主要分布在催化剂表面,TiO2NT并没有特别的积聚在催化剂表面或内部,从催化剂组成方式来看,是一种助催化成分而非载体。掺杂TiO2NT后,催化剂表面铂的活性位增加,客观上提升了对醇类氧化反应的催化效果,提高了铂的利用率。同时催化剂表面的羟基明显增多,增加的羟基在醇类氧化过程中有效去除CO等中间产物,使得催化剂表面吸附的CO不易积聚,在中毒后快速还原,从而提高催化剂的寿命。不过掺入TiO2NT的不同合金催化剂,其相互之间的性能差异,仍然于活性双金属体系本身性能的差异有关。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 燃料电池基础

1.1.2 直接醇类燃料电池基础

1.1.3 直接甲醇燃料电池发展现状

1.1.4 直接甲醇燃料电池阳极催化剂催化机理

1.2 DAFC 阳极电催化剂的种类与研究现状

1.2.1 单金属催化剂

1.2.2 铂基二元催化剂

1.2.3 铂基多元催化剂

1.2.4 其他催化剂

1.2.5 不同载体的催化剂

1.3 TiO_2 在燃料电池中应用

1.3.1 TiO_2 在燃料电池中的应用

1.3.2 TiO_2 纳米管在燃料电池中的应用

1.4 直接醇类燃料电池阳极催化剂的制备

1.4.1 浸渍法

1.4.2 离子交换法

1.4.3 Bonnemann 法

1.4.4 胶体法

1.4.5 微波方法

1.5 本论文研究目的和内容

1.5.1 TiO_2 纳米管掺杂碳负载合金催化剂的连续式微波制备工艺条件探索

1.5.2 TiO_2 纳米管掺杂低铂含量碳负载合金催化剂

第二章 实验部分

2.1 实验仪器及实验药品

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验药品

2.2 催化剂设计

2.3 催化剂制备方法

2.3.1 制备TiO_2 纳米管

2.3.2 微波助多元醇法制备电催化剂

2.4 催化剂的表征

2.4.1 XRD（多晶X 射线衍射）

2.4.2 EDX

2.4.3 ICP（电感耦合等离子发射光谱仪）

2.4.4 XPS（X 射线光电子能谱）

2.5 电催化剂活性评价

2.5.1 制备工作电极

2.5.2 循环伏安测试

2.6 单电池测试

2.6.1 质子交换膜的预处理

2.6.2 催化层的制备

2.6.3 膜电极制备

2.6.4 单电池测试

第三章 结果与讨论

3.1 自制TiO_2 纳米管

3.2 TiO_2NT 掺杂低铂PtM/C（M=Ni，Sn）电催化剂的制备参数

3.2.1 微波功率条件的选择

3.2.2 负载顺序的确定

3.2.3 小结

3.3 TiO_2NT 掺杂低铂负载Pt-Ni/C 电催化剂

3.3.1 催化剂的电化学活性比表面

3.3.2 催化剂的甲醇氧化性能

3.3.3 催化剂的乙醇氧化性能

3.3.4 单电池测试性能

3.3.5 含量分析

3.3.6 催化剂形貌表征

3.3.7 晶体结构分析

3.3.8 表面组成及价态分析

3.3.9 小结

3.4 TiO_2NT 掺杂低铂负载PtSn/C 电催化剂

3.4.1 正交实验，确定Pt、Sn 和TiO_2NT 配比

3.4.2 催化剂的电化学活性比表面

3.4.3 催化剂的乙醇氧化性能

3.4.4 催化剂的甲醇氧化性能

3.4.5 元素含量分析

3.4.6 催化剂形貌表征

3.4.7 晶体结构分析

3.4.8 光电子能谱分析

3.4.9 小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

硕士期间已投稿或者发表文章

致谢

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书