Cu掺杂对PtAu和PdAu纳米颗粒阳极电催化剂的活性影响研究

发布时间：2017-09-19 04:08

  本文关键词：Cu掺杂对PtAu和PdAu纳米颗粒阳极电催化剂的活性影响研究

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【摘要】：目前,Pt基、Pd基多元金属纳米催化剂仍然是燃料电池阳极催化剂的主要研究内容,其中PtAu. PdAu二元催化剂受到了研究者们的广泛关注。研究表明,多元金属之间存在“协同作用”、“电子效应”、“双功能效应”甚至“第三体效应”,这大大提高了Pt基、Pd基催化剂的活性和稳定性,同时阻止了CO在催化剂表面的吸附,提高了使用寿命。本论文利用PtAu或PdAu过渡金属的协同作用,并在此基础上添加另一种易于腐蚀溶解的Cu元素,使其在硫酸溶液中实现去合金化,所得催化剂不仅比表面积增大,而且具有独特的空间结构特征,即核-壳结构。另外,催化剂的性能还会受到载体的影响。鉴于石墨烯具有较大的比表面积和优异的电子传导能力,将碳纳米管与之相结合,在一定程度上可以提供额外的表面积,也会减少载体的团聚现象,产生空间相互作用,从而使得贵金属在负载物上具有更高的利用率,同时石墨烯表面的活性中心与贵金属之间的协同作用也会提升催化剂对醇类的电催化氧化活性。主要研究内容如下：首先,采用液相还原法制备碳纳米颗粒负载铂基催化齐(Pt10AuioCu80/C, Pt20Au20Cu60/C, Pt30Au30Cu40/C, Pt40Au40Cu20/C 和 Pt50Au50/C),硼氢化钠作为还原剂,控制Pt、Au原子比为1:1,不断增加Cu的含量,所得催化剂在0.5M H2SO4溶液中进行电化学循环伏安扫描(活化处理),随着Cu在催化剂中不断腐蚀溶解,形成贵金属富集的核-壳结构。通过XRD、EDX、TEM、 XPS以及CV等测试方法,对活化前后的催化剂进行分析对比,可知Cu元素的大量溶解使得金属纳米颗粒表面的Pt. Au原子发生重构现象,这就增大了贵金属的利用率；另一方面,还会导致催化剂内部晶格失配、应变、缺陷和位错,形成PtAuCu(核)-PtAu(壳)结构。活化前Cu含量越高,活化过程中就会提供充足的去合金化通道,活化后内部剩余的Cu原子越少,因此酸化处理以后的P t10Au10Cu80/C纳米催化剂对有机小分子表现出优异的电催化性能和稳定性。为了进一步提高阳极催化剂的各项性能,采用水热法合成还原氧化石墨烯(rGO)-碳纳米管(CNT)三维复合材料,以此作为载体。同样利用液相还原法,制备rGO-CNT负载钯基催化剂(Pd/rGO-CNT, PdAu/rGO-CNT, PdAuCu(10%)/rGO-CNT, PdAuCu(30%)/rGO-CNT, PdAuCu(50%)/rGO-CNT)。实验表明,三维结构载体通过π-π键、氢键以及静电作用形成,这种纳米复合物不仅有效避免了石墨烯层之间的团聚现象,而且增大了活性表面积,使金属纳米颗粒更加容易、均匀地附着在载体之上。加之Cu元素脱合金化后形成的富贵金属核-壳结构,也会增加催化剂的活性位点数量,使其在碱性环境中对醇类的电氧化活性显著提高。通过电化学循环伏安法(CV)、阻抗图谱(EIS)等测试手段,发现Pd基催化剂在碱性环境中对乙醇溶液的电催化氧化性能更高。
【关键词】：Cu掺杂 铂基/钯基电催化剂 去合金化 核-壳结构 还原氧化石墨烯-碳纳米管 循环伏安法
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 燃料电池12-15
• 1.2.1 燃料电池的原理12-14
• 1.2.2 燃料电池的特点14-15
• 1.3 直接醇类燃料电池15
• 1.4 直接甲酸燃料电池15-16
• 1.5 燃料电池阳极催化剂16-17
• 1.5.1 Pt基催化剂16-17
• 1.5.2 Pd基催化剂17
• 1.6 阳极催化剂的制备方法17-19
• 1.6.1 液相还原法17-18
• 1.6.2 自还原法18
• 1.6.3 电化学沉积法18
• 1.6.4 脱合金化法18-19
• 1.7 影响阳极催化剂电催化性能的因素19-21
• 1.7.1 粒径19
• 1.7.2 晶体结构19-20
• 1.7.3 中间产物20
• 1.7.4 载体20-21
• 1.7.5 还原溶液pH值21
• 1.8 本论文研究内容21-24
• 1.8.1 PtAuCu/C纳米催化剂对甲酸、甲醇和乙醇的电催化活性研究21
• 1.8.2 PdAuCu/rGO-CNT三维纳米催化剂对醇类的电催化活性研究21-24
• 第二章 PtAuCu/C催化剂的去合金化及其催化性能研究24-42
• 2.1 前言24-25
• 2.2 实验部分25-26
• 2.2.1 实验药品和仪器25
• 2.2.2 Pt_xAu_xCu_(100-2x)/C(X=10, 20, 30, 40, 50)纳米催化剂的合成25
• 2.2.3 工作电极的制备25-26
• 2.2.4 催化剂的表征及电催化性能测试26
• 2.3 结果与讨论26-41
• 2.3.1 Pt_xAu_xCu_(100-2x)/C催化剂的物理表征26-32
• 2.3.2 Pt_xAu_xCu_(100-2x)/C催化剂的电化学测试32-40
• 2.3.3 Pt_xAu_xCu_(100-2x)/C催化剂的电催化性能评价40-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第三章 PdAuCu/rGO-CNT催化剂的去合金化及其催化性能研究42-66
• 3.1 前言42-43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 实验药品和仪器43-44
• 3.2.2 PdAuCu/ rGO-CNT三维纳米催化剂的合成44
• 3.2.3 工作电极的制备44-45
• 3.2.4 催化剂的表征及电催化性能测试45-46
• 3.3 结果与讨论46-64
• 3.3.1 PdAuCu/rGO-CNT三维纳米催化剂的物理表征46-53
• 3.3.2 PdAuCu/rGO-CNT三维纳米催化剂的电化学测试53-63
• 3.3.3 PdAuCu/rGO-CNT三维纳米催化剂的电催化性能评价63-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第四章 结论66-68
• 参考文献68-80
• 致谢80-82
• 攻读硕士学位期间的科研成果82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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中国硕士学位论文全文数据库 前2条

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2 张炳;直接液体燃料电池阳极电催化剂研究[D];湖南大学;2009年

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本文编号：879392