碳负载Pt及Pt基合金纳米粒子的合成及其对甲醇氧化的电催化性能研究

摘要

燃料电池是绿色、高效的新型发电装置，其中直接甲醇燃料电池(DMFC)是以便于储存和运输的甲醇作为燃料，具有较高的能量转化效率，被认为是十分理想的可移动或者小型化能源之一，在交通、通讯、军事、航天等方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场，是目前研究最为广泛的一种燃料电池。但是DMFC研究中有两个问题急需解决：一是低温下甲醇在阳极上的电催化氧化活性不高；二是甲醇从阳极透过电解质膜渗透到阴极严重，这就需要制备对甲醇氧化的电催化活性高的催化剂。过渡金属Pt以及Pt基合金材料是有机分子脱氢氧化催化剂的首选材料，因此是常用的此类燃料电池的阳极催化剂。催化剂的活性与其颗粒大小、分布、形貌等因素有关，所以制备粒径适宜、粒径分布均匀的催化剂是提高催化剂的催化活性的关键。 本论文主要研究了用多元醇方法制备高分散的碳负载Pt、PtRu、PtNi金属纳米粒子，用XRD、TEM等研究手段对其结构进行表征，并用电化学分析方法研究了其对甲醇氧化的电催化活性。 通过微波-多元醇方法制备了Pt/CNTs催化剂，并用KOH调节反应前驱体溶液的pH值。通过XRD、TEM对其结构进行分析，结果表明制备的Pt/CNTs催化剂的金属纳米粒子粒径随着反应前驱体溶液pH值的逐渐增大而逐渐减小，说明pH值对多元醇方法制备金属纳米粒子的粒径大小具有一定的调控作用，而且该调控方法可控性好、操作简单。通过电化学研究方法(循环伏安曲线、极化曲线)研究了Pt/CNTs催化剂对甲醇氧化的电催化性能，结果表明Pt/CNTs催化剂对甲醇的电化学氧化具有较高的催化性能，并且当反应前驱体溶液pH=7.4左右时，制备的Pt/CNTs催化剂的电催化性能最高，并且对CO的抑制较为稳定。通过多元醇方法，并添加醋酸钠作为稳定剂，制备了具有不同Pt-Ru原子比例的碳负载PtRu合金催化剂(PtRu/XC-72)。对其结构进行分析，结果表明制备的PtRu/XC-72催化剂的PtRu合金粒子较小，而且粒径分布均匀；并通过对甲醇的电化学氧化测试得出，PtRu/XC-72催化剂对甲醇氧化的电催化性能较高，并且对CO有较好的抑制作用。用电化学方法分析了三种不同的Pt-Ru比例的PtRu/XC-72催化剂的电催化性能，得出结论PtRu/XC-72催化剂(Pt∶Ru=1∶1)对甲醇的电化学氧化具有最好的性能。 通过多元醇方法，并添加醋酸钠作为稳定剂，制备了PtNi/XC-72催化剂。对其形貌和结构进行研究分析、电化学分析，发现PtNi/XC-72催化剂的合金粒子较小、粒径分布均匀，而且有较好的合金结构；PtRu/XC-72催化剂比Pt/C对甲醇氧化的电催化性能更高，并且对CO具有更好的抑制作用，而且在长时间连续工作方面比PtRu/XC-72催化剂具有更好的稳定性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

第二章微波多元醇方法合成Pt/CNTs催化剂及其对甲醇氧化的电催化性能研究

第三章碳负载PtRu合金纳米粒子的合成及其对甲醇氧化的电催化性能研究

第四章碳负载PtNi合金纳米粒子的合成及其对甲醇氧化的电催化性能研究

结论

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢