碱性直接甲醇燃料电池阳极催化剂电化学制备及性能研究

摘要

为实现碱性甲醇氧化反应催化剂的高Pt利用率、高活性和稳定性，采用诱导电沉积法制备出Pt-on-Au/CNTs催化剂并对其活性和催化机理进行分析。为考察Pd替代Pt可能性，采用诱导电沉积法制备出Pd-on-Au/CNTs催化剂，并与Pt-on-Au/CNTs进行活性和稳定性比较，进一步设计出Pt-on-Pd类催化剂，该催化剂对碱性甲醇、乙醇氧化的活性和稳定性比Pt/CNTs、Pd/CNTs都要好。
　　用诱导电沉积法制备出不同Pt含量的Pt-on-Au系列催化剂，催化碱性甲醇氧化反应（MOR）。该系列催化剂对MOR表现出极高质量活性，催化机理可能涉及Pt与Au之间协同作用，其中Pt提供Pt-OH可氧化Au表面活性位上吸附的甲氧基吸附质(CH3O-)。
　　为进一步提高催化剂活性和稳定性并认识催化机理，用电沉积方法制备了系列催化剂如 Pt-on-Au/CNTs、 Pd-on-Au/CNTs、 Pt-on-Pd/CNTs、Pt-on-Pd-on-Au/CNTs、Pd-on-Pt/CNTs等。活性和稳定性结果表明，Pt-on-Au/CNTs催化剂活性高于Pd-on-Au/CNTs，而后者稳定性更好。鉴于此，结合Pt和Pd组分各自优点制备出Pt-on-Pd-on-Au/CNTs和 Pt-on-Pd/CNTs催化剂。这两种催化剂活性均高于Pd-on-Au/CNTs和Pd/CNTs，而稳定性优于Pt-on-Au/CNTs，表明在催化甲醇氧化反应中Pt和Pd之间存在协同作用。计算结果表明，含有相当低含量Pt的Pt-on-Pd/CNTs催化剂对甲醇氧化反应的总质量活性与Pt/CNTs催化剂相当。
　　为拓展催化剂对其它燃料在碱性条件氧化催化的可能应用，测试了Pt/CNTs、Pd/CNTs催化剂对碱性甲醇、乙醇、甲酸钾氧化催化活性随温度的变化，表明温度增加对甲醇氧化活性提高最明显。对甲醇或乙醇电氧化，Pt活性均高于Pd，但Pt在乙醇中失活较Pd快。催化剂Pt-on-Pd对甲醇和乙醇的氧化峰电流和计时电流比Pt和Pd高，表明其活性和稳定性更佳。

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1 绪论

1.1 燃料电池概述

1.1.1 燃料电池的研究背景及发展历史

1.1.2 燃料电池的分类及特点

1.1.3 燃料电池的应用

1.2 碱性直接甲醇燃料电池概述

1.2.1 ADMFC的工作原理

1.2.2 甲醇电氧化的机理

1.2.3 DMFC阳极催化剂

1.2.4 DMFC阳极催化剂的制备方法

1.3 论文计划

1.3.1 研究思路

1.3.2 研究内容

2实验试剂、仪器与研究方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 CNTs的预处理

2.3物理分析方法

2.3.1透射电镜测试（TEM）

2.3.2 X射线衍射（XRD）

2.4电化学分析方法

2.4.1实验装置

2.4.2电极制备

2.4.3循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）

2.4.4线性扫描伏安法（linear sweep voltammetry，LSV）

2.4.5电流-时间曲线（Amperometric I-t Curve）

3催化剂Pt-on-Au的制备及活性、稳定性研究

3.1 实验部分

3.1.1Au/CNTs和Au/SnO2-CNTs的制备

3.1.2诱导电沉积法制备催化剂Pt-on-Au、Au-on-Pt

3.1.3 SnO2/CNTs和Pt/CNTs的制备及SnO2的助催化作用研究

3.2 结果与讨论

3.2.1不同Pt负载量的Pt-on-Au催化剂的活性比较

3.2.2催化剂Pt-on-Au/SnO2-CNTs中SnO2的助催化作用

3.2.3催化剂Pt-on-Au中Pt与Au的协同作用分析

3.2.4催化剂Pt-on-Au的稳定性分析

3.3 本章小结

4 Pt-on-Pd催化剂活性、稳定性分析

4.1 实验部分

4.1.1 M-on-Au/CNTs(M=Bi、Ru、Cu、Pd)的制备

4.1.2 Pd-on-Au/CNTs与Au-on-Pd/CNTs催化剂的制备

4.1.3 Pt-on-Pd-on-Au、Pt-on-Pd和Pd-on-Pt催化剂制备

4.2 结果与讨论

4.2.1 M-on-Au/CNTs(M=Bi、Ru、Cu、Pd)的MOR活性研究

4.2.2 Pd-on-Au催化剂的活性、稳定性

4.2.3 Pt-on-Au/CNTs和Pd-on-Au/CNTs的活性、稳定性定量比较

4.2.4 Pt-on-Pd活性、稳定性分析

4.2.5 Pt-on-Pd中 Pt与Pd的协同作用分析

4.2.6 Pt、Pd和Pt-on-Pd在不同温度下分别对甲醇、乙醇和甲酸钾的活性、稳定性分析

4.3 本章小结

5结论

参考文献

个人简历、攻读硕士期间发表论文情况

致谢