改性纳米碳材料负载铂催化剂的制备及甲醇电催化氧化性能

发布时间：2017-08-06 21:25

  本文关键词：改性纳米碳材料负载铂催化剂的制备及甲醇电催化氧化性能

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【摘要】：直接甲醇燃料电池(DMFC)具有比能量高,操作温度低,启动快速,燃料便宜易得等优点,受到广泛关注。近年来,纳米碳材料包括碳纳米管(CNTs)和石墨烯(G)发展迅速,以此为载体制备Pt催化剂用于DMFC阳极甲醇氧化得到广泛的研究。本文针对Pt催化剂活性仍有待提高,抗中毒能力弱的问题,采用非金属掺杂改性碳纳米管和石墨烯,并进一步采用过渡金属磷化物、硼化物改性氮掺杂碳纳米管,制备了一系列改性的Pt催化剂,并对甲醇电催化氧化性能进行了研究。目的是通过对Pt/CNTs和Pt/G催化剂的改性进一步提高Pt催化剂的利用率,增加甲醇电催化氧化活性,为DMFC阳极Pt基催化剂的发展提供实验基础和参考依据。本论文的主要内容与结论如下:(1)采用掺杂的方式制备了掺氮碳纳米管(NCNTs),磷氮共掺杂碳纳米管(PNCNTs),掺氮石墨烯(NG),以掺杂改性的碳材料为载体,制备了一系列Pt基催化剂。结果表明,掺氮明显增强了Pt与载体之间的相互作用,促进了Pt颗粒的均匀分散,减小了Pt的粒径。在Pt含量13.64%(实测)的Pt/NCNTs催化剂上,Pt的平均粒径为2.56 nm(Pt/CNTs为3.11 nm),其甲醇氧化质量比活性达到935 A/gPt,是Pt/CNTs催化剂的1.58倍。对于石墨烯来说,氨气为氮源制备的Pt/NG-NH3催化剂性能较好,Pt的平均粒径为2.04 nm,甲醇氧化质量比活性为889 A/gPt,比没有掺氮的石墨烯上Pt颗粒3.11 nm,活性638 A/gPt,有明显改善。在氮掺杂基础上,适量磷掺杂能进一步减小Pt颗粒平均粒径,提高Pt催化剂的导电性和甲醇氧化性能;但掺入过多磷原子使碳纳米管形貌改变,缺陷增多,导电性变差,甲醇氧化性能反而下降。在优化的Pt/PNCNTs-5%催化剂上,Pt的平均粒径为2.32 nm,甲醇氧化质量比活性达到1300 A/gPt。(2)采用FeP、FeB进一步改性掺氮碳纳米管,制备了一系列Pt/FeP/NCNTs和Pt/FeB/NCNTs催化剂,优化了FeP、FeB的负载量,表征了催化剂结构,研究了改性催化剂的甲醇电催化氧化活性。采用TEM、XRD和XPS表征发现,Fe P和FeB改性掺氮碳纳米管后,负载的Pt颗粒分布变得更加均匀,颗粒粒径明显降低,Pt与载体的相互作用明显增强。对于实验优化的Pt/15%FeP/NCNTs和Pt/15%FeB/NCNTs催化剂,Pt的平均粒径分别为1.56和1.58 nm,而在Pt/NCNTs上为2.56 nm;它们的甲醇氧化质量比活性分别达到1737和1640 A/gPt,比Pt/NCNTs的935 A/gPt显著提高。EIS测试也表明,FeB的引入降低了催化剂甲醇氧化过程中的电荷传导阻力,从而提高催化活性。
【关键词】：甲醇电催化氧化 铂催化剂 碳纳米管 掺杂 石墨烯 磷化铁 硼化铁
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 引言11
• 1.2 燃料电池概述11-13
• 1.3 甲醇燃料电池分类13
• 1.4 直接甲醇燃料电池工作原理13-15
• 1.5 直接甲醇燃料电池研究现状15-17
• 1.6 直接甲醇燃料电池存在的问题17-18
• 1.7 直接甲醇燃料电池阳极Pt基催化剂18-20
• 1.7.1 Pt基纳米线18-19
• 1.7.2 Pt基纳米管19
• 1.7.3 Pt基纳米立方体19-20
• 1.7.4 Pt基纳米花20
• 1.8 直接甲醇燃料电池阳极催化剂改性方法20-24
• 1.8.1 掺杂改性20-22
• 1.8.2 共价键修饰22
• 1.8.3 非共价修饰22-24
• 1.9 Pt基催化剂制备方法24-26
• 1.9.1 化学还原法24-25
• 1.9.2 浸渍法25
• 1.9.3 胶体法25
• 1.9.4 电化学沉积法25-26
• 1.9.5 微乳液法26
• 1.9.6 其他制备方法26
• 1.10 本文研究思路及内容26-28
• 第二章 实验材料和表征方法28-34
• 2.1 化学试剂及实验仪器28-30
• 2.1.1 化学试剂28-29
• 2.1.2 实验仪器29-30
• 2.2 工作电极的制备30
• 2.2.1 玻碳电极的清洗30
• 2.2.2 工作电极的制备30
• 2.3 催化剂表征30-31
• 2.3.1 元素分析(EPMA)30
• 2.3.2 X射线衍射分析(XRD)30-31
• 2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)31
• 2.3.4 电子显微镜(EM)31
• 2.4 催化剂电化学性能表征31-34
• 2.4.1 催化剂电催化甲醇氧化活性的评价32
• 2.4.2 催化剂电化学活性面积及耐一氧化碳中毒性能测试32-33
• 2.4.3 电极材料的电化学阻抗测试33-34
• 第三章 非金属掺杂改性碳材料负载Pt催化剂的制备及甲醇电催化氧化性能研究34-57
• 3.1 引言34
• 3.2 实验方法34-36
• 3.2.1 杂原子掺杂改性碳载体的制备34-36
• 3.2.2 改性纳米碳载体负载铂催化剂的制备36
• 3.3 氮掺杂碳纳米管负载Pt催化剂的表征及甲醇电催化氧化性能36-41
• 3.4 Pt负载量对掺氮碳纳米管负载Pt催化剂甲醇催化氧化性能的影响41-47
• 3.5 氮磷共掺杂碳纳米管负载Pt催化剂表征及甲醇电催化氧化性能47-50
• 3.6 氮掺杂石墨烯负载Pt催化剂的表征及甲醇电催化氧化性能50-55
• 3.7 本章小结55-57
• 第四章 FeP和FeB改性氮掺杂碳纳米管负载Pt催化剂的制备及甲醇电催化氧化性能57-76
• 4.1 引言57
• 4.2 FeP改性氮掺杂碳纳米管负载Pt催化剂(Pt/FeP/NCNTs)的制备及甲醇电催化氧化性能57-68
• 4.2.1 Pt/FeP/NCNTs催化剂的制备57-58
• 4.2.2 Pt/FeP/NCNTs催化剂的结构表征与分析58-61
• 4.2.3 FeP负载量对Pt/FeP/NCNTs催化剂甲醇电催化氧化的影响61-65
• 4.2.4 Pt/FeP/NCNTs与Pt/NCNTs催化剂甲醇电催化氧化性能比较65-68
• 4.3 FeB改性氮掺杂碳纳米管负载Pt催化剂(Pt/FeB/NCNTs)的制备及甲醇电催化氧化性能68-75
• 4.3.1 Pt/FeB/NCNTs催化剂的制备68
• 4.3.2 Pt/FeB/NCNTs催化剂表征与甲醇电催化氧化性能68-75
• 4.4 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-90
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果90-91
• 致谢91-92
• 附件92

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