直接甲醇燃料电池阳极Pt基催化剂氧化锡锑载体改性研究

发布时间：2020-05-22 17:24

【摘要】：直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将化学能直接转化成电能高效、环保的能量转换装置,在新能源汽车的动力电池等领域有较好的应用前景。目前,作为唯一商业化Pt/C催化剂的催化活性不高、稳定性不好,阻碍了其进一步推广应用。某些金属氧化物具有比碳材料更强的酸稳定性和机械强度,且在一定程度上与Pt存在着强的金属-载体间的相互作用(SMSI),被认为是碳材料的有利替代者。然而金属氧化物的电化学导电性不好,这对催化剂性能的影响较大,因此需要对其进行改性后用作催化剂的载体材料。本文通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备了碳包覆氧化锡锑(ATO)载体材料,并通过微波辅助乙二醇法制备了Pt基催化剂。采用PECVD法制备碳包覆的氧化锡锑载体ATO-C,并用其制备了催化剂Pt/ATO-C。用XRD和EDX研究了Pt/ATO-C的晶体结构和元素组成,结果显示催化剂中存在面心立方结构的Pt和锡石相的Sn O2,并且在催化剂中存在碳元素;用XPS研究了Pt/ATO-C的表面元素组成和状态,其结果显示Pt和ATO之间存在金属-载体相互作用。HRTEM结果显示Pt/ATO-C中存在晶格间距为0.221 nm的Pt(111)晶面和晶格间距为0.331 nm的Sn O2(110)晶面,在ATO颗粒表面包覆了一层无定型碳,铂颗粒均匀地沉积在碳和ATO的界面处。对反应时间、反应温度以及反应物浓度三个要素进行了工艺优化以提高铂的分散性。电化学测试显示在400℃下通入乙炔和氩气的量分别都为10 sccm,反应90 min时制得的载体材料在载铂后的催化剂的甲醇氧化反应(MOR)催化活性最好,达到了商业Pt/C的2倍,其稳定性也要优于商业Pt/C,并且制得的催化剂的MOR活性和稳定性都要高于ATO直接载Pt制得的催化剂的性能。在ATO-C载体中引入杂元素N探究其对催化剂性能的影响,先用ATO与尿素物理混合然后在真空中烧结的方法引入N元素,再用PECVD法包覆碳,探究了反应时间对催化剂性能的影响。XPS结果显示ATO-N-C中N有两种掺杂的方式,分别是取代了Sn O2的氧离子和进入Sn O2的间隙。相比于Pt/ATO-C,Pt/ATON-C的Pt和载体之间的相互作用更强。电化学测试显示,在90 min反应时间下催化剂的甲醇氧化反应活性最好,并且其稳定性和抗毒化能力最强。与Pt/ATO-C对比,Pt/ATO-N-C的稳定性和抗毒化能力有很大提升。
【图文】：

示意图,运行原理

分为氢燃料电池、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。，燃料电池的实际应用主要集中在电动汽车领域。例如，丰田公司以氢燃料电池为主要动力源的车型，本田和现代也相继推出了。除此之外，欧洲的第二大航空公司 EasyJet 计划在它们的飞机统。FC 研究现状FC 是以甲醇为阳极燃料的燃料电池，它具有结构简单紧凑、能量、低排放以及能低温下快速启动的特点，这使得 DMFC 相比于燃料电池有更大的发展可行性[3]。FC 的主体部分是阳极、阴极以及夹在它们中间的电解质膜(质子 DMFC 的运行原理示意图，从图 1-1 中可以看出，DMFC 通过化碳和水的反应从而将化学能转化为电能。一种可以传导质子阳极的同时又起到电解质的作用。电池的阳极和阴极是由一种成(比如说碳)，这些多孔材料既是阳极或阴极催化剂的载体，又用。

甲醇氧化,机理

史上的一次重大的变革，相比于传统材料来说，纳米材料具学性能，因此受到了国内外科学工作者的广泛研究。拥有巨材料也同样成为了 Pt 基催化剂最为理想的载体材料。阳极催化剂研究现状氧化反应机理几十年中，研究材料的科研工作者们探究了不同电催化剂机理。这电催化剂包括单晶以及单晶和多晶表面的外来金属等首次发表了对甲醇氧化反应机理的研究的论文[4]。基于目氧化反应机理的过程归纳为以下四个步骤：化剂表面甲醇的电吸附；醇中 C-H 键的断裂，，氢的脱除，含碳中间产物的形成；分子吸附解离；化剂上吸附的含碳中间产物被氧化成二氧化碳并脱除。上的催化氧化机制如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】