Ni-B非晶态纳米合金电催化氧化甲醇的性能及其动力学研究

发布时间：2017-04-28 09:09

  本文关键词：Ni-B非晶态纳米合金电催化氧化甲醇的性能及其动力学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：能源和环境问题是目前各国关注的焦点,自然资源被大量消耗,环境污染日益严重,因此开发清洁新能源成为研究的重点。DMFC(甲醇燃料电池)作为洁净能源之一,具有操作温度低、噪音低、清洁环保、能量密度高等优点,是比较理想的移动电源和固定小型电站,被广泛研究。Pt基催化剂目前被认为是DMFC中活性最好的催化剂,但Pt等贵金属,易被CO中间体毒化,催化稳定性不足,且储量少,价格昂贵,阻碍了DMFC的商业化。因此,研究和开发高活性、低成本、稳定性好的阳极电催化剂成为DMFC商业化的关键。非晶态合金原子排列长程无序,其表面原子具有配位不饱和度高、键位密度大等特点,十分有利于反应分子的配位吸附,被认为是一种高活性、高稳定性的催化材料。系统性的研究Ni基非晶态纳米材料甲醇电催化氧化的性能较为缺乏。为此,本文将采用化学还原法制备不同Ni/B原子比的非晶态纳米粒子,系统探讨不同B含量的Ni-B非晶态合金对甲醇电催化氧化性能的影响。研究结果如下:物理表征结果为:本研究所制Ni-B合金样品属非晶结构,形貌为球形,粒径约为20 nm,轻微团聚。DSC结果表明,随着Ni-B合金中B含量的增大,放热峰的温度先升高后降低,Ni1B4晶化温度最高,热稳定性最佳。XPS分析表明,氧元素的含量随B的增加先减少后增多,Ni1B3非晶态催化剂的抗氧化性能最佳。B1s的电子结合能相对于B单质的标准结合能稍有增加,表明合金中B失去部分电子,而Ni电子结合能降低,富余电子,在Ni-B非晶态合金中主要成分是Ni2B。另外,合金表面B/Ni的比值小于投入的B/Ni,但随着B含量的增加总体呈现升高的趋势。电化学测试结果为:Ni-B非晶态纳米合金对甲醇电氧化具有显著的催化作用,不同催化剂在不同甲醇浓度1.0 M NaOH+x M CH3OH电解液中,都在1.0 M NaOH+1.0 M CH3OH中峰电流最高,催化活性最好。随B比例的增加,Ni-B非晶态纳米合金催化活性先升高后降低,其中Ni1B4的氧化峰电流最高,催化活性最好。反应级数各不相同,但差别不大。Tafel斜率b相差不大,但Tafel截距a随着B含量的增加先减小后增大,Ni1B4的a值最小。相同原子比的Ni-B非晶态纳米合金随着甲醇浓度的增大,反应电阻先减小后增大,在1.0 M NaOH+1.0 M CH3OH中的阻值最小,其中Ni1B4的阻值最小,为22.63Ω。计时电流测试结果表明,不同原子比的Ni-B非晶态纳米合金反应初始都受甲醇氧化中间产物的影响电流快速降低,一段时间后保持稳定,显示出一定的抗CO中毒能力,Ni1B4的抗CO中毒能力较高。在不同原子比的Ni-B非晶态纳米合金上,甲醇电氧化属扩散-动力学联合控制。反应活化能约为15.42 KJ。
【关键词】：Ni-B非晶态合金 纳米粒子 甲醇电氧化 电催化性能
【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;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 DMFC概述10-16
• 1.1.1 DMFC的工作原理10
• 1.1.2 DMFC的研发现状及存在问题10-13
• 1.1.3 DMFC阳极甲醇氧化的机理13-15
• 1.1.4 小结15-16
• 1.2 非晶态合金的特性16
• 1.3 非晶态合金的制备方法16-17
• 1.3.1 液体骤冷法16
• 1.3.2 化学还原法16-17
• 1.3.3 电沉积法17
• 1.3.4 发泡法17
• 1.3.5 本课题所用方法的选择17
• 1.4 化学还原法合成非晶态纳米合金的反应原理17-18
• 1.4.1 合成Ni-B非晶态纳米合金的反应原理17-18
• 1.4.2 合成Ni-P非晶态纳米合金的反应原理18
• 1.5 非晶态纳米合金催化剂的应用及其优势18-20
• 1.5.1 加氢反应18-19
• 1.5.2 氨合成反应19
• 1.5.3 脱氢反应19-20
• 1.5.4 电催化领域的应用20
• 1.5.5 非晶态纳米合金用于催化的优势20
• 1.6 Ni-B非晶态纳米合金用于小分子醇类电氧化的优势20-21
• 1.7 非晶态纳米合金催化剂的改性21-23
• 1.7.1 过渡金属的掺杂改性21
• 1.7.2 非晶态纳米合金的负载化21
• 1.7.3 稀土金属的掺杂改性21-23
• 1.7.4 类金属的掺杂改性23
• 1.7.5 Ni-B非晶态纳米合金用于甲醇电催化的发展方向23
• 1.8 本论文的研究思路与主要内容23-26
• 1.8.1 研究思路23-24
• 1.8.2 研究内容24-26
• 第二章 实验部分26-30
• 2.1 实验仪器与试剂26-27
• 2.2 实验27-28
• 2.2.1 催化剂的制备27
• 2.2.2 碳粉的预处理27
• 2.2.3 薄膜工作电极的制备27-28
• 2.3 催化剂的物理表征28
• 2.4 催化剂的电化学表征28-30
• 第三章 Ni-B非晶态纳米粒子的物理化学表征结果及讨论30-50
• 3.1 Ni-B非晶态纳米粒子的物理表征结果及讨论30-36
• 3.1.1 XRD表征结果30
• 3.1.2 TEM表征结果30-32
• 3.1.3 DSC表征结果32
• 3.1.4 XPS表征结果32-36
• 3.2 Ni-B非晶态纳米粒子的电化学表征结果及讨论36-44
• 3.2.1 碱性溶液中的CV测试结果36-37
• 3.2.2 含有甲醇的碱性溶液中的CV测试结果37-38
• 3.2.3 甲醇电催化氧化的EIS测试结果38-39
• 3.2.4 甲醇电催化氧化的CA测试结果39-40
• 3.2.5 甲醇浓度对甲醇电催化氧化的影响-CV测试结果40-42
• 3.2.6 甲醇浓度对甲醇电催化氧化的影响-EIS测试结果42-44
• 3.2.7 温度对甲醇电催化氧化的影响44
• 3.3 甲醇电催化氧化过程的动力学参数44-47
• 3.3.1 Tafel斜率的确定44-45
• 3.3.2 速控步骤的确定45-47
• 3.4 本章小结47-50
• 第四章 Sm对Ni-B非晶态纳米合金催化性能的影响50-54
• 4.1 Ni-Sm-B非晶态纳米合金的制备及物理表征50
• 4.1.1 Ni-Sm-B非晶态纳米合金的制备50
• 4.1.2 Ni-Sm-B纳米合金的XRD表征结果50
• 4.2 Ni-Sm-B非晶态纳米合金的电化学表征结果50-53
• 4.2.1 Ni-Sm-B非晶态纳米合金的CV测试结果50-51
• 4.2.2 Ni-Sm-B非晶态纳米合金的CA测试结果51-52
• 4.2.3 Ni-Sm-B非晶态纳米合金的EIS测试结果52
• 4.2.4 温度对Ni-Sm-B非晶态纳米合金催化性能的影响52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 结论与建议54-56
• 5.1 结论54
• 5.2 存在问题及建议54-56
• 参考文献56-66
• 致谢66-68
• 硕士期间所发表的学术论文68

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