钛氧化物/碳复合载体对Pt催化甲醇氧化性能影响研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有功率密度高和质量体积小等优点，可作为便携式电子设备和动力汽车的理想电源。目前，Pt基催化剂较低的活性和稳定性是其实用进程中的主要阻碍。本文合成了具有特殊结构的钛氧化物做载体，采用微波辅助乙二醇法得到了高活性、高稳定性的Pt基催化剂。
　　采用阳极氧化法分别在低反应电压(LV)和高反应电压(HV)下合成了TiO2纳米管(TNTs)，并将其与碳混合作为催化剂载体。然后与TiO2纳米颗粒(TNPs)做对比，详细研究了催化剂Pt/C-TNTs的性能。研究发现：TNTs相比TNPs更有利于提高载体导电性；碳的存在大大提高了载体的导电性和铂纳米粒子的分散性；TNTs具有很高的抗氧化和抗腐蚀能力，能增强载体的亲水性，并且与铂之间存在协同作用。催化剂Pt/C-TNTs表现出比Pt/C-TNPs和商业Pt/C更高的催化甲醇氧化性能，Pt/C-TNTs-LV和Pt/C-TNTs-HV相比，前者表现出更高的甲醇氧化稳定性，而后者的甲醇氧化活性更高。综合考虑活性和稳定性，两者性能基本相当。但是TNTs-HV的合成时间要比TNTs-LV更短，更适合于实际应用。
　　为了提高载体产量，缩短生产周期，用水热法合成了钛氧化物纳米结构，研究了水热反应之后载体酸化 pH值和烧结温度对载体和催化剂结构及性能的影响规律。在不同酸化pH值下合成了H2Ti2O5/TiO2复合纳米管(HTNTs)，采用XRD和EDAX研究了HTNTs的组成变化。随着载体酸化 pH值的减小，产物逐渐从“H2Ti2O5·H2O”转变为“锐钛矿 TiO2”。铂纳米粒子的分散性和电催化性能与载体的酸化pH值密切相关，当载体酸化pH值为7时，催化剂Pt/C-HTNTs具有最佳的电化学活性和稳定性。在载体酸化pH为7，烧结温度为300-700℃下合成了钛酸钠/二氧化钛复合纳米管/纳米棒(STNS)，用XRD和TEM研究了STNS的组成与形貌变化。结果表明：随着烧结温度的增加，STNS的组成从“Na2-xHxTi2O5”转变为“Na2Ti6O13”，形貌从纳米管转变为纳米棒，400和600℃合成的产物对应的是反应的中间态。随着温度的升高，催化剂 Pt/C-STNS的电催化活性和稳定性表现出“M”形的变化规律。STNS-400纳米管和STNS-600纳米棒负载的铂纳米粒子具有更好的分散性和更佳的催化甲醇氧化性能，原因是两者为多相复合物，具有大量的相界和晶体缺陷，有利于铂纳米粒子的沉积分散；另外，“锐钛矿TiO2”的存在可与铂产生协同效应，提高铂的催化性能。相比商业 Pt/C，催化剂Pt/C-STNS-600的甲醇氧化活性提高了1.3倍，稳定性提高了约10％。
　　为了使TiO2与碳更均匀的结合，采用原位葡萄糖碳化，经过两步水热反应和高温烧结，合成了核壳结构的碳包覆TiO2纳米线(TNWs@GC)，并用作Pt基催化剂载体。物理分析结果证实了核壳结构的存在，表明葡萄糖含量和烧结温度对碳壳的石墨化程度、孔隙率和表面化学性质有很大影响。当碳含量为60%，烧结温度为800℃时，催化剂Pt/TNWs@GC具有最好的催化甲醇氧化活性和稳定性。与商业Pt/C相比，甲醇氧化活性提高了1.4倍，循环稳定性提高了约6.9%。值得注意的是，催化剂Pt/TNWs@GC经过800次循环老化后的活性与商业Pt/C初始活性相当。催化性能的提高归因于特殊核壳结构的设计，碳壳可以大幅度提高导电性并抑制TiO2纳米线的团聚，同时碳壳上大量的缺陷有利于Pt纳米粒子的分散。另外，TiO2纳米线与碳存在相互作用，增强了碳的亲水性，并与铂产生协同催化效应。
　　为了进一步提高催化剂的催化性能，合成了孔隙率高、比表面大和传输性好的3D网络结构载体。采用原位间苯二酚-甲醛树脂(RF)碳化合成了均匀3D网络状碳包覆的TiO2纳米线(TCN)，3D网络结构被物理表征所证实。研究发现RF碳化得到的碳网对最终形貌的形成具有关键作用，并且RF含量与烧结温度对载体及催化剂的结构性能也有很大影响。当TiO2与RF质量比为5:10，烧结温度为800℃时，催化剂Pt/TCN具有最好的催化甲醇氧化活性和稳定性。引人注目的是，催化剂Pt/TCN的电化学活性面积要远高于商业Pt/C，其甲醇氧化活性和稳定性分别是商业Pt/C的1.5倍和5.7倍。更重要的是，催化剂Pt/TCN在DMFC单电池中比Pt/C表现出更高的极化电流和功率密度。催化剂性能的提高源于特殊的3D网络结构、大量的Pt沉积锚定位和Pt与TiO2之间的协同效应。钛氧化物

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 燃料电池研究现状

1.3 DMFC阳极催化剂的研究现状

1.4 催化剂载体的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验药品与设备

2.2 催化剂制备

2.3 催化剂的电化学测试

2.4 催化剂的物理表征

第3章 阳极氧化法合成TiO2纳米管载体及其对Pt催化性能影响研究

3.1 引言

3.2 低反应电压合成TiO2纳米管载Pt研究

3.3 高反应电压合成TiO2纳米管载Pt研究

3.4 本章小结

第4章 水热法合成钛氧化物纳米结构载体及其对Pt催化性能影响研究

4.1 引言

4.2 钛氧化物纳米结构的合成

4.3 H2Ti2O5/TiO2复合物载Pt研究

4.4 多相钛酸钠/TiO2复合物载Pt研究

4.5 本章小结

第5章 核壳结构碳包覆TiO2纳米线载体的制备及其对Pt催化性能影响研究

5.1 引言

5.2 核壳结构碳包覆TiO2纳米线的制备

5.3 Pt/TNWs@GC催化剂的性能研究

5.4 本章小结

第6章 3D网络碳包覆TiO2纳米线载体的制备及其对Pt催化性能影响研究

6.1 引言

6.2 3D网络结构碳包覆TiO2纳米线的制备

6.3 Pt/TCN催化剂的性能研究

6.4 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历