醇燃料电池WC基阳极催化剂制备及其微观结构与电氧化性能关联研究

摘要

本论文主要以偏钨酸铵(AMT)为钨源，通过对前驱体的不同设计和方法制备了WC基复合材料，并以此为基体材料负载Pt以后评价其电催化性能，讨论了基体微观结构与醇电氧化性能之间的关联。研究结果如下:
　　1、以喷雾干燥法制备的W/Pt多相分离微球复合材料作为前驱体，先经过600℃间接煅烧完成高温组分扩散，然后在管式炉中通过800℃C的高温渗碳自构建得到多分散纳米核壳WC@C/Pt样品，其中，Pt纳米颗粒得到了有效的分散并随机地分布在原位产生的C纳米球上。在直接碳化和更高的氯铂酸起始浓度条件下制备得到的样品均未能构成核壳结构。间接碳化通过功能化大颗粒的WC减缓了张力，有利纳米WC及Pt颗粒在C周围的移动并且最终保存下来。
　　以甲醛和间苯二酚为聚合单体，氨水为聚合催化剂，SDBS为表面活性剂，在AMT存在的乙醇水溶液中，加入一定量的硝酸铁(Fe(NO3)3)经聚合-水热反应后再高温还原碳化制备得到高分散的纳米WC-C复合材料。通过改变添加不同质量的Fe(NO3)3制备得到一系列的WC-C载体，经载铂后获得WC-C-Pt系列催化剂。研究发现当所加硝酸铁的质量为0.10g时的WC-C-(0.10)Pt催化剂具有较好的分散性、适合的粒度和孔结构，比表面积为146.14m2/g。
　　利用电化学方法研究了WC@C/Pt和WC-C-Pt系列催化剂对甲醇的电催化性能。结果表明，indirect-carb WC@C/Pt和WC-C-(0.10)Pt样品对甲醇氧化表现出较好的电催化性能。相对于indirect-carb WC@C/Pt而言，WC-C-(0.10)Pt样品对甲醇氧化更具有优势，主要是与该催化剂的特殊结构、粒径大小、孔隙分布、比表面积以及各组分间的结合方式有关。
　　2、以AMT、Fe(NO3)3作为钨和铁的前驱体，以一定量的W/Fe质量比溶于去离子水后进行自组装培养得到纳米复合前驱体，然后经过600℃氧化处理去除易挥发性物质和水分，再经高温还原碳化反应得到分散均匀的WC-CNT-Fe载体。该复合材料的制备利用了高温还原过程中得到的纳米Fe颗粒原位催化CNT的生长，促进了纳米WC颗粒均匀地分散在CNT外表面上，有效避免了高温过程中WC纳米颗粒的团聚。并且利用载体中Fe组分的金属性通过控制置换反应温度和时间制备得到Pt@WC-CNT系列催化剂，考察了不同W/Fe质量比对载体微观结构与醇电催化氧化性能之间的影响。结果证明当W/Fe质量比为4∶0.5时，Pt@CNT-WC催化剂对醇电氧化具有最低的起始电位和最大的电化学活性表面积，展现出极好的醇电氧化性能和稳定性。

目录

论文说明

声明

摘要

1．1 醇类燃料电池简介

1．1．1 醇类燃料电池的工作原理

1．1．2 醇类燃料电池目前存在的问题

1．2 醇类燃料电池阳极催化剂国内外研究现状

1．2．1 Pt基催化剂

1．2．2 Pd基催化剂

1．2．3 非贵金属催化剂

1．3 WC基催化剂

1．3．1 WC的结构特性

1．3．2 WC的合成方法

1．3．3 WC在电催化领域的应用

1．4 WC基催化剂性能的影响因素

1．4．1 粒径

1．4．2 比表面积

1．4．3 表面吸附氧和碳

1．4．4 晶面

1．5 论文选题目的及意义

第二章 实验部分

2．3 非负载WC-C复合材料及其载铂催化剂的制备

2．4 非负载WC-CNT复合材料及其载铂催化剂的制备

2．5．2 N2物理吸脱附分析

2．5．3 扫描电镜(SEM)

2．5．4 透射电子显微镜(TEM)和高分辩透射电子显微镜(HRTEM)

2．5．5 激光粒度分析仪

2．6 电化学分析测试

2．6．1 工作电极的预处理

2．6．2 工作电极的制备

2．6．3 电化学测试方法

第三章 非负载WC-C载铂催化剂制备及其对甲醇的电催化性能

3．1 引言

3．2 喷雾干燥-自构建法制备纳米WC@C载铂催化剂

3．2．1 样品的制备

3．2．2 样品的物理表征

3．3 聚合-水热分散法制备纳米WC-C载铂催化剂

3．3．1 样品的制备

3．3．2 WC-C载体的形貌与结构表征

3．3．3 WC-C载铂催化剂的物理表征

3．4 甲醇电氧化性能

3．4．1 WC@C载铂催化剂对甲醇的电催化性能比较

3．4．2 WC-C载铂催化剂对甲醇的电催化性能比较

3．4．3 WC@C和WC-C载铂样品对甲醇电氧化性能对比

3．5 本章小结

第四章 非负载WC-CNT载铂催化剂制备及其对醇的电催化性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 样品的制备

4．2．3 样品表征

4．2．4 电极制备

4．2．5 电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同W／Fe质量比对材料结构与形貌的影响

4．3．2 Pt@WC-CNT系列复合催化剂的物理表征

4．3．3 Pt@WC-CNT系列催化剂电催化性能表征

4．4 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简历

致谢