高催化性能、低铂载量燃料电池复合催化剂的制备及其电催化性能研究

发布时间：2017-06-25 15:02

  本文关键词：高催化性能、低铂载量燃料电池复合催化剂的制备及其电催化性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：贵金属Pt及其复合材料是燃料电池中广泛使用的电催化剂。铂做为燃料电池催化剂,同样也遇到一些问题:(1)铂作为稀有金属短缺;(2)成本高;(3)抗毒能力差[2]。因此仍需要降低Pt的使用量和提高催化剂的催化活性。将铂与其他材料进行复合能有效提高其催化性能和抗中毒性能并可以降低铂的载量,有效的解决这一问题。本论文针对制备高催化效能,低Pt载量的燃料电池催化剂进行研究,并测试了相应的催化性能。通过电化学沉积的方法分步制备了纳米多孔金负载Pt/Sb_2O_3催化剂。用纳米多孔金(NPG)薄膜作为载体,以氯铂酸(H2PtCl6)和三氯化锑(SbCl3)作为反应前驱物,分别使用循环伏安法(CV)和线性扫描法(LS)将铂和锑沉积在了纳米多孔金表面,得到了NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂并对其结构和表面性质通过X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)方法进行了表征测试。XRD测试结果表明制备得到了纳米多孔金负载Pt/Sb_2O_3催化剂,SEM结果表证结果显示Sb_2O_3成功的外延生长在了NPG/Pt表面并且呈分散性良好的形貌,具有良好的结构连续性和完整性。组装单电池,运用电化学工作站对其基本电化学性能进行了测试。重点研究了NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂对氧还原电化学反应的催化性能,并测试了其对甲醇的电氧化。测试结果表明,作为阴极电催化剂,NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂表现出了良好的催化活性,主要表现在极限电流比NPG/Pt的极限电流明显高出许多,而起峰电位并没有低于其起峰电位。同时与NPG/Pt催化剂相比,NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂有更高的电子转移数,更大的动力学电流密度。这说明催化剂的ORR活性在有Sb_2O_3做助催化剂后催化活性得到了有效的提高。作为阳极催化剂,循环伏安测试结果表明该NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂在酸性介质中对甲醇的电催化活性比NPG/Pt催化剂有明显的提高。其次,用纳米多孔金(NPG)薄膜作为载体,依然采用电化学沉积法制备了NPG/PtRu催化剂,首先以氯铂酸(H2PtC l6)为电镀液,采用欠电位沉积法将铂沉积到了纳米多孔金(NPG)表面,其次在三氯化钌(RuCl3)溶液中,采用线性扫描的方法将钌沉积在了NPG/Pt表面,进行了8次扫描,每扫描一次即为一次沉积,通过改变扫描的次数控制沉积的钌的量,得到了不同沉积次数的NPG/Pt Ru催化剂。催化剂的性质采用X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析方法进行表征测试。催化剂对甲醇的催化性能使用电化学工作站进行测试,NPG/PtRu催化剂较NPG/Pt催化剂对甲醇的催化展示出了更好的催化性能,沉积6次的NPG/PtRu催化剂对甲醇催化的催化性能最佳,起峰电位最低,峰电流最大。Ru的加入改善了催化剂的催化活性和抗中毒性,提高了其催化性能。此外,制备了高活性、低铂载量的PtCu/C合金催化剂。采用微波还原法制备了Pt:Cu=1:1,1:2,2:1,3:1,4:1(理论原子比)的PtC u/C双组元合金催化剂,考察了不同原子比的PtCu/C双组元合金催化剂对甲醇、乙醇、甲酸的催化性能及氧还原活性。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、循环伏安法(CV)、计时-电流法等分析测试技术,对催化剂的形貌、结构、电化学性质等进行了详细研究。电化学测试结果表明,作为阳极催化剂,原子比为1:1的PtCu/C合金催化剂对甲醇甲酸乙醇均表现出了良好的电催化活性。作为阴极催化剂,理论原子比为2:1的PtCu/C合金催化剂的氧还原反应活性与相同Pt载量的Pt/C相比起峰电位明显增大,峰电流显著提高。主要原因在于Cu的加入改变了Pt表面的性质,增大了比表面积,使其分散度和利用率得以提高,从而提高了其氧还原催化活性。
【关键词】：燃料电池 纳米多孔金 电沉积法 微波法 甲醇的电催化氧化 乙醇的电催化氧化 甲酸的电催化氧化 氧还原
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;O643.36
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 引言9
• 1.2 燃料电池工作原理9-10
• 1.3 燃料电池的特点10
• 1.4 燃料电池的分类10
• 1.5 质子交换膜燃料电池的电极反应10-12
• 1.5.1 氢气的氧化反应10
• 1.5.2 甲醇的氧化反应10-11
• 1.5.3 甲酸的氧化反应11
• 1.5.4 乙醇的氧化反应11
• 1.5.5 氧气的还原反应11-12
• 1.6 本论文的主要研究目的、内容及意义12-14
• 1.6.1 研究目的及意义12
• 1.6.2 研究内容12-14
• 第二章 纳米多孔金负载Pt基复合催化剂（NPG/Pt(Sb_2O_3)）的制备及其电催化性能研究14-30
• 2.1 实验部分14-16
• 2.1.1 试剂与仪器14
• 2.1.2 纳米多孔金（NPG）载体的选择14
• 2.1.3 电极的制备14
• 2.1.4 电化学沉积法制备NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂电极14-15
• 2.1.5 NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂的表征测试15
• 2.1.6 电化学性能测试15-16
• 2.2 结果和讨论16-30
• 2.2.1 循环伏安法沉积Pt的循环伏安(CV)曲线16-17
• 2.2.2 沉积Sb的线性扫描(L-S)曲线17-18
• 2.2.3 不同沉积次数的NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂的X-射线衍射分析18-19
• 2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）及能谱(EDS)分析19-20
• 2.2.5 NPG/Pt(Sb_2O_3)催化剂电化学性能测试曲线分析20-30
• 第三章 纳米多孔金负载PtRu合金复合催化剂(NPG/Pt Ru)的制备及其电催化性能研究30-40
• 3.1 实验部分30-32
• 3.1.1 试剂与仪器30
• 3.1.2 电极的制备30
• 3.1.3 电沉积法制备NPG/Pt Ru复合催化剂电极30
• 3.1.4 NPG/Pt Ru复合催化剂的表征测试30-31
• 3.1.5 电化学性能测试31-32
• 3.2 结果与讨论32-40
• 3.2.1 恒电位沉积Pt时的时间电流(i-t)曲线32-33
• 3.2.2 NPG/Pt表面沉积Ru的线性扫描(L-S)曲线33-34
• 3.2.3 NPG/Pt Ru催化剂及NPG/Pt催化剂的X-射线衍射分析34-35
• 3.2.4 扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析35-36
• 3.2.5 NPG/Pt Ru催化剂电化学性能测定曲线36-40
• 第四章 PtCu/C燃料电池催化剂的合成、表征及电催化性能40-55
• 4.1 实验部分40-42
• 4.1.1 试剂与仪器40
• 4.1.2 PtCu/C双组元合金催化剂的制备40
• 4.1.3 PtCu/C电极的制备40-41
• 4.1.4 PtCu/C催化剂的表征测试41
• 4.1.5 电化学性能测试41-42
• 4.2 结果与讨论42-55
• 4.2.1 PtCu/C双组元合金催化剂的X-射线衍射曲线分析42-43
• 4.2.2 透射电子显微镜测试分析43-44
• 4.2.3 Pt/C及不同原子比PtC u/C催化剂的活化曲线44-46
• 4.2.4 Pt/C及不同原子比PtC u/C催化剂甲醇氧化电催化活性46-48
• 4.2.5 Pt/C及不同原子比PtC u/C催化剂的甲酸氧化电催化活性48-50
• 4.2.6 Pt/C及不同原子比PtC u/C催化剂的乙醇氧化电催化活性50-52
• 4.2.7 Pt/C及不同原子比PtC u/C催化剂的氧还原电催化活性52-55
• 本文总结55-56
• 参考文献56-60
• 在读期间发表的学术论文及研究成果60-61
• 致谢61

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本文编号：482496