二氧化钛及其表面改性材料在甲酸燃料电池中的应用研究

发布时间：2017-10-01 18:42

  本文关键词：二氧化钛及其表面改性材料在甲酸燃料电池中的应用研究

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【摘要】：燃料电池是一种能够将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置,它具有能量利用率高、比能量高、功率范围广、环境友好等特点。燃料电池常用燃料有H_2、 NH_3、CH_3OH、CH_3COOH等。与此同时,甲酸作为液体燃料,便于运输、储存,与氢-氧燃料电池比较,体积比能量高、使用过程安全可靠,DFAFC在便携式电源领域具有广泛的应用前景。DFAFC常用催化剂有Pt基催化剂和Pd基催化剂,相比较而言,后者对甲酸的电催化性能更加优异。然而,要实现DFAFC的商品化,Pd基催化剂的性能还需要进一步提高。众所周知,催化剂载体对于改善催化剂活性和稳定性具有重要影响。Ti02因其具有无毒、价廉、化学稳定性和热稳定性好、光催化活性高等特点,成为光催化研究的热点领域。近年来,Ti02在燃料电池催化剂中的应用也开始出现。本文主要从Pd基催化剂稳定性差、成本较高等因素入手,研究了以Ti02及其表面改性材料作为Pd基催化剂载体对催化剂性能的影响。(1)以锐钛矿型二氧化钛为Pd催化剂载体,制备了Pd/TiO_2-C复合催化剂,研究了其对甲酸电催化氧化性能,探讨了Ti02与XC-72炭黑在复合催化剂中的最佳比例。研究表明,以Ti02为催化剂载体有效地减小了Pd纳米粒子的粒径,Ti02与Pd之间的协同作用提高了催化剂的活性,这种协同作用和Ti02自身的耐腐蚀性提高了催化剂的稳定性。当Ti02与C质量比为1：1时,催化剂性能最好。(2)使用阳离子聚合物PDDA对Ti02表面修饰,并制备了Pd/TiO_2(P)-C催化剂,研究了表面修饰对催化剂形貌和活性的影响。结果表明,负载在经聚合物修饰后的Ti02表面的Pd纳米粒子在Ti02表面分布更均匀,团聚现象减少。经修饰后的催化剂的比质量活性和比表面活性均增大,这是由于金属表面对含氧基团吸附性降低,有更多的活性位点得到释放。连续循环伏安和计时电流测试表明,PDDA修饰后催化剂稳定性明显好于未经修饰制备的催化剂。(3)以阳离子聚合物PDDA对Ti02进行了表面修饰,并通过静电自组装制备了不同Pd.Cu质量比的PdCu/TiO_2(P)-C催化剂。通过XRD图谱、TEM和HRTEM图谱可知PdCu形成了合金结构,同时负载在经PDDA表面修饰的Ti02表面纳米颗粒分布比较均匀。通过TEM观察到,当Cu含量较高时,纳米颗粒有向纳米线转变的趋势。电化学测试结果表明,PdCu合金催化剂的催化活性和稳定性基本都好于单金属Pd。PdCu/TiO_2(P)-C(1:1)、PdCu/TiO_2(P)-C(1:2)、PdCu/TiO_2(P)-C(1:3)三种催化剂活性最好的为PdCu/TiO_2(P)-C(1:2),这是由于这时PdCu之间的电子效应较显著,而且此时纳米颗粒还没有开始形成线状结构。
【关键词】：燃料电池 TiO_2 载体 表面修饰 Pd基催化剂 甲酸氧化
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 研究背景12
• 1.2 燃料电池概述12-15
• 1.2.1 燃料电池的工作原理13-14
• 1.2.2 燃料电池的特点14-15
• 1.2.3 燃料电池的分类15
• 1.3 直接甲酸燃料电池(DFAFC)简介15-20
• 1.3.1 DFAFC的基本结构16-17
• 1.3.2 甲酸电催化氧化机理17
• 1.3.3 DFAFC阳极催化剂的研究进展17-20
• 1.4 二氧化钛纳米材料在燃料电池催化剂中的应用20-21
• 1.4.1 TiO_2纳米材料直接作为催化剂载体20-21
• 1.4.2 TiO_2与C混合作为催化剂载体21
• 1.5 无机纳米材料的表面改性21-25
• 1.5.1 无机纳米材料表面特性21-22
• 1.5.2 无机纳米材料表面改性的目的22
• 1.5.3 无机纳米材料表面改性方法22-25
• 1.6 选题的意义与主要内容25-27
• 第2章 Pd/TiO_2-C复合催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化27-38
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-29
• 2.2.1 实验药品28
• 2.2.2 实验仪器28
• 2.2.3 Pd/TiO_2-C复合催化剂的制备28-29
• 2.2.4 表面形貌与成分的表征29
• 2.2.5 电化学测量29
• 2.3 结果与讨论29-37
• 2.3.1 催化剂表面形貌和组成分析29-31
• 2.3.2 催化剂阻抗图谱分析31-32
• 2.3.3 催化剂电催化活性表面积测试32-33
• 2.3.4 催化剂对甲酸的电催化氧化33-34
• 2.3.5 催化剂稳定性测试34
• 2.3.6 TiO_2与C的质量比对催化剂催化活性的影响34-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 Pd在聚合物修饰TiO_2表面的自组装及其在甲酸燃料电池中的应用38-45
• 3.1 引言38
• 3.2 实验部分38-39
• 3.2.1 实验药品38
• 3.2.2 实验仪器38
• 3.2.3 催化剂的制备38-39
• 3.2.4 表面形貌与成分的表征39
• 3.2.5 催化剂的电化学性能测试39
• 3.3 结果与讨论39-44
• 3.3.1 催化剂形貌和组成的表征39-41
• 3.3.2 催化剂电催化活性表面积测试41-42
• 3.3.3 催化剂对甲酸的电催化氧化42-43
• 3.3.4 催化剂计时电流法测试43-44
• 3.3.5 催化剂催化甲酸连续循环伏安测试44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 聚合物修饰TiO_2负载PdCu双金属催化剂的制备及其对甲酸的电催化氧化45-53
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-46
• 4.2.1 实验药品45
• 4.2.2 实验仪器45
• 4.2.3 催化剂的制备45-46
• 4.2.4 表面形貌与成分的表征46
• 4.2.5 催化剂的电化学性能测试46
• 4.3 结果与讨论46-52
• 4.3.1 催化剂形貌和组成的表征46-49
• 4.3.2 催化剂电催化活性表面积测试49-50
• 4.3.3 催化剂对甲酸的电催化氧化50-51
• 4.3.4 催化剂稳定性测试51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 结论53-54
• 参考文献54-62
• 附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文62-63
• 致谢63

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本文编号：955049