Pd、Pt基燃料电池催化剂的制备及性能研究

发布时间：2018-03-17 20:40

本文选题：燃料电池　切入点：钯　出处：《湖南大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,以液态醇类为燃料的直接醇类燃料电池由于其高效、清洁等优点受到了人们广泛关注。然而,将醇类直接电化学氧化比较困难,因此需要高催化活性及稳定性的催化剂。其中,贵金属催化剂,如Pd和Pt,其优异的催化性能已被人们所熟知。但是,贵金属的储量有限,价格相对昂贵,大大阻碍了直接醇类燃料电池的发展与应用。因此,目前有关燃料电池方面的研究大都集中在如何提高催化剂的活性及降低催化剂的成本等方面。本论文从降低催化剂成本、提高催化活性及稳定性等问题入手,制备了以石墨烯为载体的Pd基金属催化剂以及无载体的一维Pd、Pt纳米催化剂,并对其形貌、结构及组成进行了研究,同时详细考察了其电化学性能。研究内容主要包括以下几个方面： (1)以硼氢化钠为还原剂共还原氧化石墨、氯化钯及氯金酸成功制备了石墨烯的负载PdAu双金属纳米颗粒(PdAu/CRG)。采用X射线衍射、扫描电子显微镜及透射电子显微镜等对其结构、形貌及组成进行了分析,结果表明所制备的PdAu纳米颗粒的平均直径约为6nm,且均匀分布在石墨烯的片层中。采用循环伏安法及计时电流法对PdAu/CRG的电化学催化乙醇性能进行了研究,结果表明PdAu/CRG在碱性条件下有着比碳纳米管和碳粉负载的PdAu纳米颗粒更优异的乙醇催化活性及稳定性,是一种较为理想的碱性乙醇燃料电池催化剂。 (2)采用水热法制备了直径约为10nm、长度为微米级的Te纳米线,并以Te纳米线为模板和还原剂,制备了Pd纳米线和Pd纳米管。采用扫描电子显微镜及透射电子显微镜等对Pd纳米线及Pd纳米管结构、形貌及组成进行了分析,结果表明所制备的Pd纳米材料与Te纳米线有着类似的形貌。电化学结果表明,Pd纳米线和纳米管对乙醇的催化催化稳定性明显优于碳负载的Pd纳米颗粒。 (3)以Te纳米线为模板及还原剂合成了PdPt双金属纳米管,其扫描电子显微镜及透射电子显微镜结果显示所制备的PdPt纳米管的直径在10nm-20nm左右,长度可以达到微米级。采用X射线衍射、能谱、及扫描透射电子显微镜对其组成进行了分析,结果显示Pd和Pt原子较均匀地分布在PdPt纳米管中。同时对纳米管的形成机理进行了假设。电化学结果表明所制备的PdPt纳米管在碱性条件下有着较好的催化活性,且其催化稳定性比碳负载的PdPt纳米颗粒更好。 (4)采用欠电位法在直径为10-20nm、长度为微米级的Pd纳米线表面沉积了单原子层的Cu,并通过化学置换法得到了单原子层的Pt,得到了单原子层Pt修饰的Pd纳米线,并采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X光电子能谱及能谱仪对其结构、形貌、组成进行了研究。通过循环伏安法及计时电流法考察了单原子层Pt对Pd纳米线在碱性条件下对乙醇氧化性能的影响,结果表明单原子层的Pt不仅能提高其催化活性,更能提高其催化稳定性。而常规电化学沉积Cu并通过置换法得到的Pt虽然能提高催化活性,但其催化稳定性却有所降低。 (5)采用化学法在Pd纳米管表面沉积了多孔的Pt,扫描电镜及透射电镜图表明沉积Pt后纳米管的直径变大而且表面变得较为粗糙,其表面是由许多直径约2-3nm的Pt纳米颗粒组成,颗粒之间形成了许多缝隙,从而构成了多孔的Pt。电化学结果表明沉积Pt之后,纳米管的乙醇催化活性有较大提高,甚至比碳载体负载的Pd纳米颗粒更好,但其催化稳定性却有所降低。 (6)以Te纳米线为模板及还原剂,同时采用抗坏血酸及聚乙烯吡咯烷酮控制Pt的形貌,得到具有多孔状的Pt纳米线。其扫描电镜及透射电镜结果表明,所制备的Pt纳米线的直径在20-30nm左右,其由很多平均尺寸在3nm左右Pt纳米颗粒组成,类似于许多“葡萄”长在树枝上,并且纳米颗粒之间形成了许多小孔。通过改变H2PtCl6、PVP和AA的剂量,可以成功地制备出不同直径的葡萄状Pt纳米线。电化学结果表明该Pt纳米线具有比碳粉负载的Pt更好的氧还原催化活性及稳定性。
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【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM911.4;TQ426

【参考文献】