DMFC阳极CeO2载Pt催化剂的制备及电催化性能研究

摘要

随着石化资源的短缺以及环境污染的加剧，为维持人类社会的可持续发展，对新能源的开发和利用已在进行中。作为新能源——氢能的电转化设备之一，直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）因众多优点而被认为在便携式电子设备和电动汽车等领域具有良好的应用前景。但DMFC阳极负载型Pt催化剂最为常用的的碳载体，因其在极端环境下易被氧化腐蚀而导致的催化剂活性组分流失和催化效率下降是阻止其商业进程的原因之一。在众多的非碳载体中，金属氧化物载体因其在氧化环境中拥有比碳载体更高的稳定性以及与活性组分间的强相互作用，从而有效地改善了催化剂的活性和稳定性。但金属氧化物存在着导电性差等缺点，限制了其在DMFC中的应用。　　本文以CeO2为基础对其进行掺碳、掺氮和复合以获得不同的载体，然后通过改性后的载体来增强载体与Pt活性组分之间的相互作用以及改善载体的导电性等性质，以提高负载型Pt催化剂的性能。具体研究内容如下：　　首先，以酚醛树脂和Vulcan XC-72分别为碳源，制备出了CeO2-C复合载体，然后采用微波多元醇还原法将Pt负载其上而获得了Pt/CeO2-C催化剂。该催化剂利用了CeO2的稳定性和储氧能力以及碳的导电能力，并通过载体与Pt之间相互作用（电子效应）较好的改善了Pt催化剂的性能。测试结果显示，相比CeO2载体，使用了CeO2-C载体的Pt/CeO2-C催化剂颗粒不仅粒径分布更均匀、颗粒更小，并且还具有更多大的电化学活性表面积（Ectrochemical Active Surface Area，ECSA）；同时，Pt/CeO2-C较Pt/CeO2催化剂还还表现出对甲醇氧化更好的活性和抗中毒性能；　　其次，以三聚氰胺为碳源和氮源，通过原位碳化氮化的方法制备出CeO2-C-N载体，并通过微波多元醇还原法制备了Pt/CeO2-C-N催化剂，并对其进行了形貌和性能考查。测试结果显示，CeO2-C-N载体有利于传质的孔隙结构以及载体中C和N对Pt的锚定效应，使得相比CeO2载体，Pt在CeO2-C-N载体上的粒径更小、分布更均匀，同时也使得Pt/CeO2-C-N催化剂具有更大的ECSA，除此之外，双功能机理和电子效应也是Pt/CeO2-C-N催化剂性能提高的原因之；　　最后，为结合WC在载体使用中的优势，将WC掺入到CeO2中而获得CeO2-WC复合载体。测试结果显示，相比Pt/CeO2和Pt/WC催化剂，Pt/CeO2-WC催化剂颗粒大小均匀且具有更大的ECSA，是Pt/WC催化剂的1.5倍，且表现出更好的对甲醇氧化的催化活性。除WC较高的稳定性和导电性对催化剂性能的提升外，WC的类Pt性质所产生的含氧物种以及复合载体的氢溢流效应（CeO2-WC能更好的促进甲醇氧化脱氢过程中Pt表面上氢的脱附，提高氢脱附的速率，从而获得更多Pt的活性位点）也是提高Pt催化性能的原因。

目录

1 绪论

1.1 直接甲醇燃料电池概述

1.1.1 直接甲醇燃料电池的工作原理

1.1.2 直接甲醇燃料电池目前存在的问题

1.2 直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展

1.3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体研究进展

1.4 金属化合物/碳复合物作为DMFC阳极催化剂载体的研究进展

1.4.1 金属氧化物/碳复合物载体

1.4.2 金属碳化物/碳复合物载体

1.4.3 其他金属化合物/碳复合物载体

1.5 金属化合物/金属化合物作为DMFC阳极催化剂载体的研究进展

1.6 本课题选择的意义和主要研究内容

2 实验部分

2.1 实验试剂及仪器

2.1.1 实验原料与化学试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 催化剂的电化学性能表征

2.2.1 工作电极的制备

2.2.2 电化学性能测试

2.3 催化剂的物理表征

2.3.1 热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）

2.3.2 X射线衍射分析（X-ray Diffraction, XRD）

2.3.3 场发射扫描电镜分析（ Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM）

2.3.4 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）

2.3.5 X射线光电子能谱仪（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）

2.3.6 电感偶和等离子体发射光谱仪（ Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer, ICP-OES）

3 以酚醛树脂为碳源制备Pt/CeO2-C催化剂及其电催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

（1）酚醛树脂溶液的制备

（2）CeO2 和CeO2-C 的制备

（3）Pt/CeO2-C 催化剂的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 催化剂的物相形貌表征及讨论

3.3.2 催化剂电化学性能

3.4 本章小结

4 以Vulcan XC-72为碳源制备Pt/CeO2-C催化剂及其电催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

（1）CeO2 与CeO2-C 载体的制备

（2）Pt/CeO2 催化剂、Pt/C 催化剂、Pt/CeO2-C 催化剂的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 催化剂的物相形貌表征及讨论

4.3.2 催化剂电化学性能

4.4 本章小结

5 以三聚氰胺为碳源氮源制备Pt/CeO2-C-N催化剂及其电催化性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

（1）CeO2 与CeO2-C-N 载体的制备

（2）Pt/CeO2-C-N 催化剂和Pt/CeO2 催化剂

5.3 结果与讨论

5.3.1 催化剂的物相形貌表征及讨论

5.3.2 催化剂电化学性能

5.4 本章小结

6 Pt/CeO2-WC催化剂的制备及其电催化性能研究

6.1 引言

6.2 实验部分

（1）WC 与CeO2-WC 载体的制备

（2）Pt/CeO2 催化剂、Pt/WC 催化剂、Pt/CeO2-WC 催化剂的制备

6.3 结果与讨论

6.3.1 催化剂的物相形貌表征及讨论

6.3.2 催化剂电化学性能

6.4 本章小结

7 结论与展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果