基于碳量子点的Au-Pd双金属纳米复合物的制备及其电催化性能研究
发布时间：2020-12-21 07:14
随着现代社会经济的高速发展,传统化石燃料与环境保护之间的矛盾日益尖锐,潜在的能源短缺危机使得清洁高效新能源的研发迫在眉睫。燃料电池和氢能是近年来受到人们广泛关注的清洁绿色能源。其中,直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell,DMFC）具有能量密度高、操作简单、工作温度低、携带方便等优点,已成为未来能源存储和转换设备的有前途的候选者。同时在各种生产氢气的技术中,电解水制氢具有操作简单、技术成熟等诸多优点受到了研究者们的广泛关注。在DMFC和电解水制氢技术中,高效的催化剂的设计是关键。大量研究结果表明:贵金属铂和铂基催化剂是目前DMFC和电解水制氢技术中最有效的催化剂。然而,铂的高成本、低储量和低耐久性极大地阻碍了其大规模的商业应用。针对以上背景,本文做了以下三个方面的工作。（1）以氮掺杂碳量子点（Nitrogen-doped carbon quantum dots,N-CQDs）为基础,采用两步还原法合成了以Au纳米粒子为核,N-CQDs为中间层,Pd纳米粒子为壳的三层核壳结构（Core-shell）的金属复合纳米材料（Au@N-CQDs@Pd）。研究结果表明...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC工作原理图[7]
1绪论41.2.2甲醇氧化反应（MOR）介绍直接甲醇燃料电池（Directmethanolfuelcell，DMFC）具有燃料储存方便、安全可靠、能量密度大和绿色环保等优点[10]，在不远的将来有望替代传统的内燃机技术[11]，是最有前景的替代能源技术之一，在便携式电源和车用动力电源中极受欢迎。DMFC的原理图如图1-2所示[12]。图1-2DMFC的工作原理图[12]。Fig.1-2SchematicoperationprincipleofDMFC[12].甲醇在催化剂的作用下在阳极发生氧化反应转换为CO2、质子和电子。CO2在电解质的协助下从阳极出口排除。质子透过质子交换膜在阴极一边，电子经由外电路做功形成电流后到达阴极，在催化剂的作用下与氧气发生还原反应形成水。DMFC的电极反应如下：阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e（1-1）阴极：3/2O2+6H++6e→3H2O（1-2）总反应：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O（1-3）由于Pt在甲醇催化氧化中性能良好，直接甲醇燃料电池使用最多的催化剂为Pt基催化剂。在DMFC中，甲醇在阳极的完全氧化是一个复杂的多步反应[13]，其催化机理目前仍有待研究与考证，甲醇的电化学氧化主要有两个过程有[14,15]：（1）甲醇的吸附和经反复脱氢生成CO等中间物质；（2）吸附的CO等中间产物被Pt表面的含氧物质（如-OH，由水电解生成）
1绪论5氧化生成CO2。具体反应机理如下：CH3OH+Pt→Pt(CH3OH)ads（1-4）Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-5）Pt(CO)ads+H2O→Pt+CO2+2H++2e（1-6）图1-3模拟催化剂表面上甲醇发生催化氧化反应步骤示意图[15]。Fig.1-3Schematicdiagramofthecatalyticoxidationreactionofmethanolonthecatalystsurface[15].从示意图中可以看到，在氧化过程中所生成的含碳中间产物CO未被及时氧化生成CO2会吸附在Pt的表面，占据催化位点使Pt催化剂产生中毒，从而降低催化活性和稳定性[16]。为了解决这个问题，可以将Pt与另一种过渡金属结合到一起，不仅可以降低Pt的用量达到降低成本的目的，同时还能有效提高对甲醇的催化活性和抗CO中毒能力[17]。此外，将其与氧化物结合也会产生相同的效果[18]。目前，人们对性能提高的原因可以从以下两种机理进行解释：（1）双功能机理[19]，是指加入过渡金属后形成的复合催化剂可以在较低的电位下使水分子分解产生羟基（-OH），这些-OH会加快吸附在Pt表面的CO向CO2的转化速率。（2）电子调变机理[20]。加入第二种金属通过改变Pt的d能带状态和费米能级能量来改变Pt的电子性能，破坏Pt表面与CO之间的相互作用，达到提高催化活性和稳定性的目的。加入过渡金属M后其反应原理如下：Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-7）M+H2O→MOHads+H++e（1-8）Pt(CO)ads+MOHads→Pt+M+CO2+H++e（1-9）
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池的发展现状[J]. 囤金军,宋金香. 中国科技信息. 2020(Z1)
[2]氢燃料电池发展现状和趋势[J]. 陈曈,周宇昊,张海珍,刘丽丽,刘润宝. 节能. 2019(06)
[3]电化学获奖人优秀论文专辑序言[J]. 孙世刚. 电化学. 2018(05)
[4]直接甲醇燃料电池碳载铂基电催化剂的研究进展[J]. 李庆刚,张新恩,刘硕. 材料导报. 2015(S1)
[5]从登月火箭到手机电池 燃料电池分类[J]. 数字通信. 2006(02)
博士论文
[1]AuPt双金属纳米粒子合成及电催化性能研究[D]. 卢立娟.重庆大学 2018
[2]铂—钌电催化剂中助剂钌的形态及稳定性研究[D]. 马俊红.大连理工大学 2010
本文编号：2929430
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC工作原理图[7]
1绪论41.2.2甲醇氧化反应（MOR）介绍直接甲醇燃料电池（Directmethanolfuelcell，DMFC）具有燃料储存方便、安全可靠、能量密度大和绿色环保等优点[10]，在不远的将来有望替代传统的内燃机技术[11]，是最有前景的替代能源技术之一，在便携式电源和车用动力电源中极受欢迎。DMFC的原理图如图1-2所示[12]。图1-2DMFC的工作原理图[12]。Fig.1-2SchematicoperationprincipleofDMFC[12].甲醇在催化剂的作用下在阳极发生氧化反应转换为CO2、质子和电子。CO2在电解质的协助下从阳极出口排除。质子透过质子交换膜在阴极一边，电子经由外电路做功形成电流后到达阴极，在催化剂的作用下与氧气发生还原反应形成水。DMFC的电极反应如下：阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e（1-1）阴极：3/2O2+6H++6e→3H2O（1-2）总反应：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O（1-3）由于Pt在甲醇催化氧化中性能良好，直接甲醇燃料电池使用最多的催化剂为Pt基催化剂。在DMFC中，甲醇在阳极的完全氧化是一个复杂的多步反应[13]，其催化机理目前仍有待研究与考证，甲醇的电化学氧化主要有两个过程有[14,15]：（1）甲醇的吸附和经反复脱氢生成CO等中间物质；（2）吸附的CO等中间产物被Pt表面的含氧物质（如-OH，由水电解生成）
1绪论5氧化生成CO2。具体反应机理如下：CH3OH+Pt→Pt(CH3OH)ads（1-4）Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-5）Pt(CO)ads+H2O→Pt+CO2+2H++2e（1-6）图1-3模拟催化剂表面上甲醇发生催化氧化反应步骤示意图[15]。Fig.1-3Schematicdiagramofthecatalyticoxidationreactionofmethanolonthecatalystsurface[15].从示意图中可以看到，在氧化过程中所生成的含碳中间产物CO未被及时氧化生成CO2会吸附在Pt的表面，占据催化位点使Pt催化剂产生中毒，从而降低催化活性和稳定性[16]。为了解决这个问题，可以将Pt与另一种过渡金属结合到一起，不仅可以降低Pt的用量达到降低成本的目的，同时还能有效提高对甲醇的催化活性和抗CO中毒能力[17]。此外，将其与氧化物结合也会产生相同的效果[18]。目前，人们对性能提高的原因可以从以下两种机理进行解释：（1）双功能机理[19]，是指加入过渡金属后形成的复合催化剂可以在较低的电位下使水分子分解产生羟基（-OH），这些-OH会加快吸附在Pt表面的CO向CO2的转化速率。（2）电子调变机理[20]。加入第二种金属通过改变Pt的d能带状态和费米能级能量来改变Pt的电子性能，破坏Pt表面与CO之间的相互作用，达到提高催化活性和稳定性的目的。加入过渡金属M后其反应原理如下：Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-7）M+H2O→MOHads+H++e（1-8）Pt(CO)ads+MOHads→Pt+M+CO2+H++e（1-9）
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池的发展现状[J]. 囤金军,宋金香. 中国科技信息. 2020(Z1)
[2]氢燃料电池发展现状和趋势[J]. 陈曈,周宇昊,张海珍,刘丽丽,刘润宝. 节能. 2019(06)
[3]电化学获奖人优秀论文专辑序言[J]. 孙世刚. 电化学. 2018(05)
[4]直接甲醇燃料电池碳载铂基电催化剂的研究进展[J]. 李庆刚,张新恩,刘硕. 材料导报. 2015(S1)
[5]从登月火箭到手机电池 燃料电池分类[J]. 数字通信. 2006(02)
博士论文
[1]AuPt双金属纳米粒子合成及电催化性能研究[D]. 卢立娟.重庆大学 2018
[2]铂—钌电催化剂中助剂钌的形态及稳定性研究[D]. 马俊红.大连理工大学 2010
本文编号：2929430
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