碳纳米角与金属纳米粒子自组装成的燃料电池催化剂

发布时间：2019-04-19 11:27

【摘要】：本论文的主要研究工作是制备“非保护型”铂及铂基金属合金胶体与含氮单壁碳纳米角自组装得到的电化学催化剂,并应用于电化学催化氧还原和甲醇氧化反应。1 )、以含氮单壁碳纳米角与乙二醇及简单离子保护的铂钌胶体为结构基元自组装得到一种新型燃料电池阳极催化剂(PtRu/NSWCNHs)。对比该催化剂与相同制备方法得到的以vulcan XC72碳为载体的电催化剂(PtRu/C-HM)及商用催化剂(PtRu/C-JM)在氮气脱气的1M CH_3OH+0.5M H_2SO_4溶液中对甲醇氧化的电催化活性。在60℃下,0.05-0.9V电位范围内,PtRu/NSWCNHs催化剂对甲醇氧化的反应活性明显优于PtRu/C-HM催化剂及商用PtRu/C-JM催化剂(质量活性@peak分别为自制PtRu/C-HM和商用PtRu/C-JM催化剂的1.7和2.5倍)。经过定电位试验得到PtRu/NSWCNHs催化剂的I-t曲线整体位于其它两种电催化剂的I-t曲线之上,其亚稳态电流值约为另两种催化剂的2倍,表现出了良好的长期催化性能。并通过XPS,TEM表征进一步讨论了含氮纳米角作为载体对甲醇氧化反应电催化剂的影响。因为其出色的电化学催化活性、良好的长期催化性能、简单的组成和方便的制备工艺,PtRu/NSWCNHs是一种很有潜力的DMFC阳极催化剂。2)、以含氮单壁碳纳米角与“非保护”铂胶体为结构基元自组装得到一种新型燃料电池阴极催化剂。该催化剂在氧气饱和的高氯酸溶液中对于氧还原反应的电催化活性优于商用催化剂(面积比活性和动力学电流质量活性分别为商用催化剂的1.6倍和1.75倍)。在30℃C,0.6-1.1V电压范围内,经15000个电压循环后,催化剂对氧还原的电催化能力几乎没有降低;而在60℃C下进行10000个电压循环后,催化剂对氧还原反应的催化活性下降了 10%,相对于商用催化剂下降了33%,稳定性有较大的提高。通过对经过加速老化试验后的催化剂进行TEM表征得到,在经过加速老化试验后,Pt/NSWCNH催化剂中的Pt纳米粒子更加稳定,粒径增大的幅度明显小于商用催化剂,这是其稳定性提高的主要原因。实验结果表明,所制备的新型燃料电池阴极催化剂具备良好的电催化活性并在室温及电池实际使用温度下均有优异的稳定性,具有很好的实用价值。3) 通过nitrene反应在多壁碳纳米管上引入芳基溴,与5 -p-hydroxyphenyl-10,15,20-triphenyl-porphyrin (MHTPP) 和5-p-aminophenyl-10,15,20-triphenyl-porphyrin (MATPP)卟啉化合物反应得到新型的卟啉/多壁碳纳米管纳米复合物。使用红外、紫外、TEM、Raman和TGA对得到的纳米复合物进行表征,确认卟啉化合物成功的通过共价键连接在多壁碳纳米管的管壁上。由Raman谱图分析得到,这种对多壁碳纳米管进行表面修饰的方式可以很大程度保留碳材料的电子特性。由荧光发射谱图看出,这种结构可以有效促进碳纳米管和卟啉间的能量和电子转移。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM911.4;O643.36

【参考文献】