二氧化铈促进的钯基纳米催化剂的合成及其醇电氧化性能研究
发布时间：2022-02-08 20:02
直接醇类燃料电池（Direct Alcohol Fuel Cells,DAFCs）具有能量密度高,燃料来源广,燃料易储存和运输,结构简单等优点而受到广泛关注。Pd比Pt便宜,储量更丰富,在碱性介质中表现出了优异的醇电氧化性能,近年来Pd基催化剂已成为DAFCs中一类非常有应用前景的阳极催化剂。但是,为了实现DAFCs的商业化,钯基催化剂的醇电氧化性能还有待进一步提高。二氧化铈作为一种廉价且重要的稀土氧化物材料,因其独特的物理化学性质使其具有许多优异的功能,已被广泛地应用于催化、电化学和燃料电池等技术领域。CeO2具有优异的机械性能,表面含有丰富的氧空位和优异的氧储存能力,可以促进催化反应中的电子传递,增强贵金属催化剂抗CO中毒能力,近几年来被广泛用做催化剂中的助催化剂来促进催化活性和稳定性。本论文围绕CeO2对钯基电催化剂的醇氧化促进作用,基于Pd及PdAg合金纳米催化剂的可控制备,通过改变碳载体来探究CeO2的添加对Pd基催化剂醇电氧化性能的影响。具体研究内容和主要取得的研究结果如下:（1）以蔗糖为碳源,经预碳化和KO...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢氧燃料电池典型运行图
第1章绪论111.4.1CeO2的结构图1.4CeO2的晶体结构在室温到熔点的温度区间内，CeO2是典型的萤石晶体结构，其空间点群为Fm3m，其中铈离子作为阳离子来占据面心立方的晶胞位置，氧离子作为阴离子占据八面体间隙，晶体结构如图1.4所示。由图可知，每个铈阳离子由八个最近邻的氧阴离子配位，而每个氧阴离子由四个最近邻的铈阳离子配位。1.4.2CeO2的合成方法纳米级CeO2合成的方法有很多，常用有水/溶剂热合成法、溶胶-凝胶法、均相沉淀法、微乳液法、微波辅助合成法、模板法、热分解法等。（一）水/溶剂热合成法水/溶剂热法是以水或者有机物作为溶剂，将前驱体溶于溶剂并置于高压反应釜中，在高温高压下进行的化学反应。通过对温度、PH、反应物浓度和种类的调节可以控制产物的粒径和形貌。该方法的优点是合成过程相对简单，易于控制，产物纯度高，分散性好，生产生本低，并且不存在有毒物质的挥发。Ni等人[56]通过控制CeCO3OH前体的形态使用水热合成的方法合成了单分散的三维花状的CeO2纳米球。他们证明CeO2具有萤石结构，并且CeO2样品表面存在一定量的Ce3+离子和氧空位。Chen等人[57]以甲醇为溶剂，通过改变Ce(NO3)3·6H2O的浓度合成了不同尺寸的CeO2颗粒。（二）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是以金属盐或者金属醇盐作为原料，通过水解、缩聚反应等化学反应先制得溶胶，再经过简单陈化聚合成湿凝胶，最后通过干燥和热处理等工艺制备出纳米材料。该方法得优点是工艺简单，反应温度低，可以制备出小
华侨大学硕士学位论文14以甲醇为例，在醇电氧化的开始阶段，甲醇会被吸附在Pd催化剂的表面，之后COads会占据Pd催化剂大量的活性位点导致催化剂逐渐失活。CeO2会使得H2O分子分裂并转化为吸收的羟基（OH-）（方程1.10）。由于CeO2的氧空位形成能较低，因此吸收的羟基很容易转变为含活性氧的物质（方程1.11）。活性含氧物质从CeO2表面转移到Pd催化剂表面并加速中毒中间体CO氧化为CO2（方程1.12和1.13）。在这之后，Pd催化剂的表面恢复原状，释放活性位点，反应原理如图1.5所示。其他醇具有类似的反应原理，只是最终产物不同。图1.5碱性介质中Pd/Co-CeO2纳米复合催化剂表面上MOR电催化机理的示意图1.4.4CeO2在直接醇类燃料电池上的应用CeO2常与不同类型的碳材料结合成复合载体来提高贵金属催化剂的醇电氧化性能。Xu等[65]通过微波辅助法合成了Pt/CeO2不同重量比的Pt-CeO2/C催化剂，并研究了在碱性介质中对乙醇的催化作用。结果表明，当Pt/CeO2的重量比为2:1时，Pt-CeO2/C催化剂具有最优的催化活性，且性能好于商业Pt/C。Zhou等人[66]使用葡萄糖作为碳源，氧化铝为模板，经过煅烧工艺制备了碳纳米管（CNTs），利用沉淀-沉积法制备了Pt-CeO2/CNT，并对甲醇的氧化进行了研究。与Pt/CNT相比，当催化剂中Pt与CeO2的摩尔比为约2:1时，Pt-CeO2/CNTs电极表现出更优异的催化性能。Zhang等人[67]通过一锅合成法制备了石墨烯纳米片杂化的Pt-CeO2-x/GNS催化剂，并用于醇（甲醇，乙醇，乙二醇和甘油）的氧化。研究发现，超细Pt颗粒紧密地沉积在CeO2-x和GNS载体的界面上，与Pt/GNS相比，Pt–CeO2-x/GNS具有更好的催化性能。CeO2的形貌对醇电氧化性能具有重要的影响。Wang等人[68]通过使用原位生长方法在石墨烯片上成功地合成了具有棒状CeO2（NRCeO2）结构的三维?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Nitrogen-Doped Carbon Nanotube-Supported Pd Catalyst for Improved Electrocatalytic Performance toward Ethanol Electrooxidation[J]. Ying Wei,Xinyuan Zhang,Zhiyong Luo,Dian Tang,Changxin Chen,Teng Zhang,Zailai Xie. Nano-Micro Letters. 2017(03)
[2]AuPd合金纳米粒子的电化学制备及其对乙醇氧化的催化性能[J]. 刘涛,黄蕊,田晓春,黄龙,刘硕,瞿希铭,孙世刚. 中国科学:化学. 2016(09)
[3]Investigation of Co3O4 nanorods supported Pd anode catalyst for methanol oxidation in alkaline solution[J]. Yanbiao Ren,Shichao Zhang,Hua Fang,Xin Wei,Puheng Yang. Journal of Energy Chemistry. 2014(06)
[4]燃料电池的研究现状和开发前景[J]. 沈培康,杨金田. 湖州师专学报. 1999(05)
本文编号：3615661
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氢氧燃料电池典型运行图
第1章绪论111.4.1CeO2的结构图1.4CeO2的晶体结构在室温到熔点的温度区间内，CeO2是典型的萤石晶体结构，其空间点群为Fm3m，其中铈离子作为阳离子来占据面心立方的晶胞位置，氧离子作为阴离子占据八面体间隙，晶体结构如图1.4所示。由图可知，每个铈阳离子由八个最近邻的氧阴离子配位，而每个氧阴离子由四个最近邻的铈阳离子配位。1.4.2CeO2的合成方法纳米级CeO2合成的方法有很多，常用有水/溶剂热合成法、溶胶-凝胶法、均相沉淀法、微乳液法、微波辅助合成法、模板法、热分解法等。（一）水/溶剂热合成法水/溶剂热法是以水或者有机物作为溶剂，将前驱体溶于溶剂并置于高压反应釜中，在高温高压下进行的化学反应。通过对温度、PH、反应物浓度和种类的调节可以控制产物的粒径和形貌。该方法的优点是合成过程相对简单，易于控制，产物纯度高，分散性好，生产生本低，并且不存在有毒物质的挥发。Ni等人[56]通过控制CeCO3OH前体的形态使用水热合成的方法合成了单分散的三维花状的CeO2纳米球。他们证明CeO2具有萤石结构，并且CeO2样品表面存在一定量的Ce3+离子和氧空位。Chen等人[57]以甲醇为溶剂，通过改变Ce(NO3)3·6H2O的浓度合成了不同尺寸的CeO2颗粒。（二）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是以金属盐或者金属醇盐作为原料，通过水解、缩聚反应等化学反应先制得溶胶，再经过简单陈化聚合成湿凝胶，最后通过干燥和热处理等工艺制备出纳米材料。该方法得优点是工艺简单，反应温度低，可以制备出小
华侨大学硕士学位论文14以甲醇为例，在醇电氧化的开始阶段，甲醇会被吸附在Pd催化剂的表面，之后COads会占据Pd催化剂大量的活性位点导致催化剂逐渐失活。CeO2会使得H2O分子分裂并转化为吸收的羟基（OH-）（方程1.10）。由于CeO2的氧空位形成能较低，因此吸收的羟基很容易转变为含活性氧的物质（方程1.11）。活性含氧物质从CeO2表面转移到Pd催化剂表面并加速中毒中间体CO氧化为CO2（方程1.12和1.13）。在这之后，Pd催化剂的表面恢复原状，释放活性位点，反应原理如图1.5所示。其他醇具有类似的反应原理，只是最终产物不同。图1.5碱性介质中Pd/Co-CeO2纳米复合催化剂表面上MOR电催化机理的示意图1.4.4CeO2在直接醇类燃料电池上的应用CeO2常与不同类型的碳材料结合成复合载体来提高贵金属催化剂的醇电氧化性能。Xu等[65]通过微波辅助法合成了Pt/CeO2不同重量比的Pt-CeO2/C催化剂，并研究了在碱性介质中对乙醇的催化作用。结果表明，当Pt/CeO2的重量比为2:1时，Pt-CeO2/C催化剂具有最优的催化活性，且性能好于商业Pt/C。Zhou等人[66]使用葡萄糖作为碳源，氧化铝为模板，经过煅烧工艺制备了碳纳米管（CNTs），利用沉淀-沉积法制备了Pt-CeO2/CNT，并对甲醇的氧化进行了研究。与Pt/CNT相比，当催化剂中Pt与CeO2的摩尔比为约2:1时，Pt-CeO2/CNTs电极表现出更优异的催化性能。Zhang等人[67]通过一锅合成法制备了石墨烯纳米片杂化的Pt-CeO2-x/GNS催化剂，并用于醇（甲醇，乙醇，乙二醇和甘油）的氧化。研究发现，超细Pt颗粒紧密地沉积在CeO2-x和GNS载体的界面上，与Pt/GNS相比，Pt–CeO2-x/GNS具有更好的催化性能。CeO2的形貌对醇电氧化性能具有重要的影响。Wang等人[68]通过使用原位生长方法在石墨烯片上成功地合成了具有棒状CeO2（NRCeO2）结构的三维?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Nitrogen-Doped Carbon Nanotube-Supported Pd Catalyst for Improved Electrocatalytic Performance toward Ethanol Electrooxidation[J]. Ying Wei,Xinyuan Zhang,Zhiyong Luo,Dian Tang,Changxin Chen,Teng Zhang,Zailai Xie. Nano-Micro Letters. 2017(03)
[2]AuPd合金纳米粒子的电化学制备及其对乙醇氧化的催化性能[J]. 刘涛,黄蕊,田晓春,黄龙,刘硕,瞿希铭,孙世刚. 中国科学:化学. 2016(09)
[3]Investigation of Co3O4 nanorods supported Pd anode catalyst for methanol oxidation in alkaline solution[J]. Yanbiao Ren,Shichao Zhang,Hua Fang,Xin Wei,Puheng Yang. Journal of Energy Chemistry. 2014(06)
[4]燃料电池的研究现状和开发前景[J]. 沈培康,杨金田. 湖州师专学报. 1999(05)
本文编号：3615661
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