纳米Ni基/Ni-Ti-O纳米管阵列复合电极的制备及其电催化性能研究

摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）具有运行使用温度低、比能量密度高、燃料来源丰富、环境友好等优点，但由于现有的Pt基催化材料成本高，易CO中毒等原因，限制了其商业推广。为解决这一问题，本研究从催化剂载体材料，Ni基催化电极的制备两方面提升催化剂的催化性能，旨在研发出催化性能优异、循环稳定性好、制备方法简单、成本低廉的DMFC阳极催化材料。
　　本论文选取Ni-Ti-O纳米管阵列(Ni-Ti-O NTs)为载体材料。将Ni-Ti合金在乙二醇/丙三醇体系中阳极氧化处理后，在氢气气氛中500?C还原退火处理2h，制备出Ni-Ti-O NTs。采用SEM，XRD和XPS表征试样的微观形貌、物相和表面元素价态。并用循环伏安法和交流阻抗法来测试试样在碱性介质中对甲醇氧化的电催化性能。还原退火处理可以使阳极氧化后产生的Ni3+还原成Ni2+，增加氧空位浓度，并提高材料的缺陷浓度，优化了Ni-Ti-O NTs的催化性能。载体的氧化峰电流密度为8.52mA·cm-2，较未还原处理试样提高了近7倍，并有优异的循环稳定性能。Ni-Ti-O NTs是有前景的DMFC的阳极电极候选载体材料。
　　采用简单的溶盐浸渍法，将Ni(OH)2纳米颗粒负载在Ni-Ti-O NTs上制备Ni(OH)2/Ni-Ti-O NTs复合电极。研究了不同浸渍时间、浸渍温度、Ni源浓度、溶剂等工艺参数对电极微观形貌和电催化氧化性能的影响。结果表明：随着浸渍时间的延长，Ni源浓度的增加和浸渍温度的升高，电极上负载的催化纳米颗粒尺寸逐渐增大，氧化峰电流密度先增后降。溶剂的极性会影响纳米颗粒的形貌。在25℃时，将Ni-Ti-O NTs依次浸渍在0.2M NiCl2·6H2O乙醇溶液和0.2M NH4OH乙醇溶液中各12h后，可得到电催化性能良好的纳米Ni(OH)2/Ni-Ti-O NTs电极，氧化峰电流达到38.41mA·cm-2。经1000次循环后，电极峰电流密度为原来的75％，表明纳米Ni(OH)2/Ni-Ti-O NTs电极具有良好的循环稳定性。
　　通过循环伏安电沉积法，将纳米Ni-B非晶颗粒负载在Ni-Ti-O NTs上制备Ni-B/Ni-Ti-O NTs复合电极。研究了电解液组分，扫描速率，循环沉积次数等工艺参数对电极微观形貌和催化活性的影响。结果表明：随着电解液中B含量的增加，循环沉积次数的增长和循环扫描速率的加快，电极表面形貌发生变化，氧化峰电流密度先增后降。以20mV·s-1的循环扫描速率在0.2～0.8V内扫描200个循环制备出的Ni-B/Ni-Ti-O NTs电极对甲醇有良好的催化性能。氧化峰电流值为64.71mA·cm-2。Ni-B/Ni-Ti-O NTs电极有良好的循环稳定性，1000次循环扫描后，仅下降25%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 直接甲醇燃料电池

1.3 催化剂载体材料

1.4 Ni基催化剂的研究进展

1.5 论文的意义与内容

第二章 实验内容与测试方法

2.1 化学试剂和仪器

2.2 电极的制备

2.3 电极的表征

2.4 电化学性能测试

第三章 Ni–Ti–O电极的制备及其对甲醇电催化氧化性能的研究

3.1 前言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 浸渍法制备Ni(OH)2/Ni-Ti-O NTs电极及其对甲醇电催化氧化性能的研究

4.1 前言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 循环伏安电沉积法制备Ni-B/Ni-Ti-O NTs电极及其对甲醇电催化氧化性能的研究

5.1 前言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果