直接乙醇燃料电池阳极钯铜纳米催化剂的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-08-05 22:24

  本文关键词：直接乙醇燃料电池阳极钯铜纳米催化剂的制备及电化学性能研究

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【摘要】：直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell,DEFC)是以乙醇作为燃料的新型低温燃料电池。DEFC具有燃料来源丰富、清洁无污染、能量转化率高、携带和储存方便等优点,是一类非常有前景的绿色能源。目前,DEFC阳极常使用铂基金属材料作为催化剂,但是铂存在价格昂贵、储量稀少和易毒化等问题,严重限制了DEFC的商业化发展。因此,寻找非铂类催化剂来取代铂基催化剂成为广受关注的研究热点。钯具有同铂相似的性质,价格低于铂,而且在碱性介质中对乙醇的氧化具有比铂更高的催化活性及稳定性。因此,为了降低催化剂的生产成本,同时提高催化活性和稳定性,开发碱性直接乙醇燃料电池(ADEFC)中钯基催化剂的研究具有重要的现实意义。本论文以降低贵金属的用量、提高催化剂的性能为目标,分别从形貌调控、碳材料(炭黑和碳纳米管)负载等方面对钯铜催化剂进行研究,探讨了钯铜纳米催化剂的制备和作为燃料电池阳极催化剂的电化学性能。取得的主要结果如下:(1)利用溶剂热还原法,在乙二醇(EG)溶液中,仅通过KOH/EG浓度的调控分别制备了Pd-Cu合金类球状、纳米棒状和纳米线网状结构,并通过X-射线衍射光谱(XRD)、能量散射光谱(EDS)和透射电子显微镜(TEM)等仪器对催化剂的组成、物相结构和表面形貌等进行了表征。分析结果表明,所合成的三种形貌催化剂的分散性都比较良好,没有出现明显的团聚现象;通过循环伏安法(CV)考察了催化剂的电催化活性和稳定性。测试结果表明,在碱性介质中与商业Pd/C相比,所合成的三种形貌催化剂催化乙醇氧化的活性及稳定性都有很大的提高,其中Pd-Cu合金类球状的催化性能最好,其次是纳米棒状和纳米线网状。(2)通过离子液体对炭黑表面进行修饰后,采用NaBH4还原法制备了多孔碳载Pd-Cu复合催化剂(Pd-Cu/C)。XRD、EDS和TEM结果表明,Pd和Cu之间形成了合金,且合金颗粒较小、分散程度较高;电化学性能测试表明,在碱性条件下Pd-Cu/C复合催化剂催化乙醇氧化的活性是商业Pd/C的3.1倍。此外,仅通过增大还原剂浓度,制备得到三种不同组成的碳载Pd-Cu复合催化剂(Pd_xCu_y/C)。TEM表征结果显示,Pd_xCu_y/C催化剂具有较小的纳米颗粒和良好的分散效果;电化学测试结果表明,在碱性介质中Pd_xCu_y/C催化剂催化乙醇氧化的性能都有较大提高,其中Pd1Cu1/C的催化性能最好。(3)以表面活化的碳纳米管作为载体,应用一步溶剂热法制备了碳纳米管负载Pd-Cu合金催化剂(Pd-Cu/CNTs)。利用SEM、TEM、XRD和EDS对催化剂的形貌、组成以及结构进行了表征,并采用循环伏安法、计时电流法(CA)对催化剂的催化性能进行了分析。结果表明:Pd-Cu合金纳米颗粒在碳纳米管上均匀分布,没有发生明显团聚;在碱性介质中,合成的Pd-Cu/CNTs催化材料催化乙醇氧化的活性及稳定性明显高于商业Pd/C。
【关键词】：直接乙醇燃料电池 钯铜合金催化剂 乙醇氧化 催化活性和稳定性
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-25
• 引言10
• 1.1 燃料电池概述10-14
• 1.1.1 燃料电池的发展历史及研究现状10-11
• 1.1.2 燃料电池的特点11-13
• 1.1.3 燃料电池的分类13-14
• 1.1.4 燃料电池的发展与应用14
• 1.2 直接乙醇燃料电池（DEFC）14-17
• 1.2.1 DEFC的简介14-15
• 1.2.2 DEFC的工作原理15-16
• 1.2.3 DEFC的研究状况及存在问题16-17
• 1.3 直接乙醇燃料电池阳极催化剂17-23
• 1.3.1 DEFC阳极催化剂的研究进展17-18
• 1.3.2 DEFC阳极催化剂的制备方法18-20
• 1.3.3 Pd基催化剂对乙醇氧化的催化机理20-21
• 1.3.4 DEFC阳极催化剂载体21-23
• 1.4 本论文的选题思路及研究内容23-25
• 第2章 实验部分25-31
• 2.1 实验试剂与仪器25-26
• 2.1.1 实验试剂25-26
• 2.1.2 实验仪器26
• 2.2 催化剂的物性表征26-27
• 2.2.1 透射电子显微镜26-27
• 2.2.2 扫描电子显微镜及电子能谱27
• 2.2.3 X-射线衍射分析27
• 2.3 催化剂的电化学性能测试27-31
• 2.3.1 电极体系27-28
• 2.3.2 工作电极的制备28
• 2.3.3 循环伏安测试28-29
• 2.3.4 计时电流测试29-31
• 第3章 形貌可控Pd-Cu纳米合金的制备及电催化性能研究31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 形貌可控Pd-Cu纳米合金的制备32-33
• 3.3 形貌可控Pd-Cu合金催化剂的物理表征33-38
• 3.3.1 形貌可控Pd-Cu合金样品物相分析33-34
• 3.3.2 Pd-Cu合金样品的形貌和微结构分析34-38
• 3.4 形貌可控Pd-Cu合金的电催化性能研究38-40
• 3.4.1 Pd-Cu合金催化剂对乙醇氧化的催化活性38-40
• 3.4.2 Pd-Cu合金催化剂对乙醇氧化的催化稳定性40
• 3.5 不同摩尔投料比Pd-Cu合金的制备及电催化性能比较40-42
• 3.5.1 不同摩尔投料比Pd-Cu合金的制备及物相分析40-41
• 3.5.2 不同摩尔投料比Pd-Cu合金的电催化性能比较41-42
• 3.6 本章小结42-45
• 第4章 多孔碳载钯铜复合催化剂的制备及电化学性能研究45-61
• 4.1 引言45-46
• 4.2 多孔碳载Pd-Cu复合催化剂的制备46
• 4.3 多孔碳载Pd-Cu复合催化剂的物理表征46-48
• 4.3.1 Pd-Cu/C复合催化剂的物相分析46-47
• 4.3.2 Pd-Cu/C复合催化剂的形貌分析47-48
• 4.4 Pd-Cu纳米颗粒的形成影响因素48-52
• 4.4.1 离子液体（IL）对颗粒负载量的影响48-50
• 4.4.2 还原剂浓度对颗粒组成及其粒径的影响50-52
• 4.5 多孔碳载Pd-Cu复合催化剂的电化学性能研究52-59
• 4.5.1 Pd-Cu/C催化剂与商业Pd/C对乙醇氧化的催化性能比较52-56
• 4.5.2 有无IL参与合成的Pd-Cu/C催化剂对乙醇氧化的催化性能比较56-57
• 4.5.3 不同组成的Pd-Cu/C复合材料对乙醇氧化的催化性能比较57-59
• 4.6 本章小结59-61
• 第5章 Pd-Cu/CNTs催化材料的制备及电化学性能研究61-69
• 5.1 引言61
• 5.2 Pd-Cu/CNTs催化材料的制备61-62
• 5.3 Pd-Cu/CNTs催化材料的物理表征62-65
• 5.3.1 Pd-Cu/CNTs的物相分析62-63
• 5.3.2 Pd-Cu/CNTs的形貌分析63-65
• 5.4 Pd-Cu/CNTs催化材料的电化学表征65-67
• 5.4.1 Pd-Cu/CNTs电催化氧化乙醇活性65-67
• 5.4.2 Pd-Cu/CNTs电催化氧化乙醇稳定性67
• 5.5 本章小结67-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-77
• 致谢77-79
• 个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果79

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