甲醇电化学氧化催化剂的研究

发布时间：2017-09-30 21:15

  本文关键词：甲醇电化学氧化催化剂的研究

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【摘要】：燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反应方式转变为电能的能量转换装置,是21世纪最有发展前景的技术之一。其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)具有理论能量转化效率高、能量密度高、启动快等优点,是最具大规模产业化前景的燃料电池之一。电催化剂是决定DMFC性能的关键材料。碳载铂催化剂(Pt/C)是当前DMFC中应用最广泛的催化剂,但甲醇电化学氧化(MOR)过程中,中间产物CO导致的Pt失活是DMFC技术的关键问题。本文通过材料表征和电化学分析,研究开发了氧化钨修饰含氮大孔碳载铂钌催化剂,讨论了碳载体及其改性、碳载体修饰对铂及铂钌合金上MOR行为的影响。本文通过硬模板制备大孔碳(MPC)载铂催化剂,摸索了模板对MPC孔结构以及载铂的影响,结果表明,与金属铝模板相比使用CaCO3作为模板能够碳化时发气形成多级孔,得到的MPC载铂催化剂对MOR具有良好的催化活性。通过葡萄糖-尿素聚合制备含氮大孔碳(N-MPC),研究了MPC中氮对其载铂催化剂构效关系。催化剂制备过程中,N-MPC的N促进载铂时Pt的分散；在MOR催化反应过程中,N-MPC的N利于OH生成,从而强化了Pt上吸附的CO电氧化,使得含氮大孔碳载铂催化剂(Pt/N-MPC)的催化活性能显著高于Pt/MPC。氧化钨不但能产生OH,氧化钨修饰含氮碳载体还能降低CO在Pt上的吸附能,利于CO脱附。因此氧化钨修饰含氮大孔碳载铂催化剂显示出比Pt/N-MPC更高的催化活性,催化剂抗CO中毒性能得到明显改善。更进一步地,在氧化钨修饰含氮碳载体载铂的基础上,铂钌合金化进一步强化OH的形成,因此氧化钨修饰含氮大孔碳载铂钌催化剂显示出很高的催化活性。DMFC的测试结果表明, PtRu/WO3/N-MPC(43.4 wt.% PtRu)的最大功率密度达到了35mWcm-2,而Pt/WO3/N-MPC (28.6 wt.% Pt)的最大功率密度仅为28mWcm-2。对比同样的测试条件下商业化的PtRu/C (60 wt.% PtRu)催化剂,其最大功率密度只有30 m W cm-2。
【关键词】：甲醇 燃料电池 催化剂 纳米碳酸钙 大孔碳 铂 三氧化钨 钌
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4;O643.36
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-42
• 1.1 引言12
• 1.2 燃料电池简介12-18
• 1.2.1 燃料电池发展简史13-14
• 1.2.2 燃料电池的分类14-16
• 1.2.3 燃料电池的基本原理与结构16-18
• 1.3 直接甲醇燃料电池研究进展18-25
• 1.3.1 引言18-19
• 1.3.2 DMFC发展概况19-20
• 1.3.3 DMFC的工作原理20-22
• 1.3.4 DMFC的阳极催化剂22-23
• 1.3.5 甲醇电化学氧化机理研究23-24
• 1.3.6 DMFC存在的主要问题24-25
• 1.4 DMFC阳极催化剂研究25-40
• 1.4.1 强化OH的生成25-33
• 1.4.2 强化Pt上CO的脱附33-40
• 1.5 本论文的课题背景和主要研究内容40-42
• 2 实验方法42-50
• 2.1 实验原料42-43
• 2.2 催化剂制备43-46
• 2.2.1 葡萄糖尿素树脂(N-MPC)的合成43-44
• 2.2.2 碳载体上浸渍载Pt44
• 2.2.3 碳载体上载WO_344
• 2.2.4 玻碳电极的制备44-45
• 2.2.5 燃料电池的制备45-46
• 2.3 催化剂表征46-48
• 2.3.1 X射线m射结构分析(XRD)46-47
• 2.3.2 场发射扫描电镜(FESEM)47
• 2.3.3 透射电镜(TEM)47-48
• 2.3.4 X射线光电子能谱(XPS)48
• 2.4 电化学性能测试48-50
• 2.4.1 循环伏安法48
• 2.4.2 时间电流曲线48-49
• 2.4.3 电池性能测试49-50
• 3 碳载体对铂上甲醇电氧化反应的影响50-78
• 3.1 硬模板制备大孔碳载铂催化剂的结构与性能50-55
• 3.1.1 模板对大孔碳孔结构的影响50-52
• 3.1.2 模板对载铂的影响52-54
• 3.1.3 MPC载铂催化甲醇电氧化54-55
• 3.2 大孔碳中氮对其载铂催化剂构效关系的影响55-70
• 3.2.1 氮对载铂的影响55-62
• 3.2.2 含氮量对催化剂性能的影响62-70
• 3.3 氧化钨修饰碳载体对其载铂催化剂的影响70-76
• 3.3.1 催化剂的结构与形貌70-72
• 3.3.2 催化剂的电化学性能研究72-76
• 3.4 小结76-78
• 4 含氮大孔碳载铂钌催化剂的研究78-86
• 4.1 催化剂的结构与形貌78-80
• 4.1.1 催化剂的SEM分析78-79
• 4.1.2 催化剂的TEM分析79-80
• 4.1.3 催化剂的XRD分析80
• 4.2 催化剂的电化学测试80-84
• 4.2.1 Tafel曲线80-81
• 4.2.2 阻抗分析81-82
• 4.2.3 燃料电池测试82-84
• 4.3 含氮大孔碳、WO_3修饰、钌合金化对铂上甲醇电氧化的协同84
• 4.4 小结84-86
• 5 结论与展望86-88
• 5.1 本文结论86
• 5.2 本文的主要创新成果86-87
• 5.3 本论文存在的不足与展望87-88
• 参考文献88-98
• 作者简介及攻读硕士学位期间所取得的科研成果98

【参考文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 张立逢;以石墨烯为载体制备直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究[D];南京航空航天大学;2010年

2 金秀华;甲醇燃料电池电极催化材料的制备[D];华东理工大学;2013年

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本文编号：950431