直接甲醇燃料电池阴阳极电催化剂的制备与性能表征

摘要

清洁和可再生技术（如燃料电池和氢气生产）的大规模应用在很大程度上依赖于电催化反应的效率。基于铂(Pt)的纳米颗粒金属受到了极大的关注，是直接甲醇燃料电池(DMFCs)最受欢迎的催化剂。然而，在甲醇燃料电池的反应中，与单金属Pt催化剂相似，Pt基催化剂的高成本，反应过程动力学缓慢和CO等中间“毒化”分子的形成是主要挑战。过去的研究集中于使用Pt合金，例如Fe、Ni、Co、Rh、Ru、Co和Sn金属，或碳载体材料，以提高Pt的催化性能。近年来，CNTs，MWCNTs，CNFs和石墨烯等碳材料的巨大潜力所支持的Pt和Pt合金催化剂具有显著的优势，可以促成优良的MOR。同时，开发具有高催化效率的非贵金属，地球丰富且廉价的催化剂用于电催化反应，在可持续能量转化和储存中起着至关重要的作用。由于其令人着迷的功能和多样性，已经在金属有机骨架(MOFs)电催化剂的合成和应用取得一些成果。 针对直接甲醇燃料电池，本论文设计并制备了阳极Pt基掺杂氮自组装碳纳米管载体催化剂和阴极非Pt碳基缺陷MOFs催化剂。采用具有良好导电性和比较牢固、稳定的碳材料作为阴、阳极催化剂的载体，提升了对甲醇氧化和氧还原的催化性能。主要工作为: 尿素作为碳源和氮源加入金属盐，然后一步法合成含合金的掺杂氮自组装碳纳米管载体，负载Pt成为高活性的Pt/CoNiCu-CNTs催化剂。掺氮碳纳米管作为载体可以和催化剂相互作用，通过改变铂原子的电子结构，有效地改善负载的铂纳米颗粒的分散并促进MOR。与商业Pt/C相比，Pt/CoNi2Cu-CNTs催化剂的电化学面积和催化活性分别提高了1.57和2.77倍，催化剂的抗毒化作用也显著增强。 MOFs作为母模板，通过在碳黑上组装Co-ZIF-67得到前驱体，然后在N2气中煅烧热解来开发一种缺陷MOFs催化剂Co4-MOFs-KJ。该催化剂表现出较高的催化活性，起始电位为和半波电位(E1/2)与商业Pt/C催化剂接近，长时间稳定性达到Pt/C的63％，比Pt/C催化剂表现出更好的甲醇耐久性。这项工作拓宽了MOFs在电催化剂还原反应领域的应用。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．1．1当前世界和国内能源形势

1．1．2燃料电池简介

1．1．3直接甲醇燃料电池(DMFCs)

1．2甲醇燃料电池催化剂

1．2．1阳极催化剂研究进展

1．2．2阴极催化剂研究进展

1．3课题研究内容

第二章实验材料及研究方法

2．1．1实验试剂

2．1．2实验设备

2．2催化剂的制备

2．2．1载体自主装碳纳米管的合成

2．2．2微波辅助乙二醇法制备催化剂

2．2．3 Co-MOFs-KJ系列催化剂制备

2．3催化剂的物理表征

2．3．1透射电子显微镜(TEM)

2．3．2 X射线衍射(XRD)

2．3．3 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．4扫描电子显微镜(SEM)

2．4催化剂的电化学表征

2．4．1工作电极的制备

2．4．2电化学性能测试

第三章CoNiCu-CNTs自主装碳纳米管载铂催化剂性能研究

3．1引言

3．2结果与讨论

3．2．1 Pt／CoNiCu-CNTs系列催化剂的物理表征

3．2．2 Pt／CoNiCu-CNTs系列催化剂的电化学测试

3．3小结

第四章非贵金属Co-MOFs-KJ系列催化剂制备及对氧还原反应的研究

4．1引言

4．2结果与讨论

4．2．1 Co-MOFs-KJ系列催化剂的物理表征

4．2．2 Co-MOFs-KJ系列催化剂的电化学测试

4．3小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢