直接甲醇燃料电池铂基阳极电催化剂的研究

发布时间：2017-09-03 23:03

  本文关键词：直接甲醇燃料电池铂基阳极电催化剂的研究

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【摘要】：由于甲醇具有能量密度高、低污染、易于储存和运输等特点,直接甲醇燃料电池在电动汽车和可移动设备等领域得到越来越多的关注。然而甲醇氧化所需的催化剂往往成本过高,催化活性较低,一直制约着燃料电池实现大规模的生产应用。目前人们将提高催化剂的活性和利用率、降低Pt的用量作为直接甲醇燃料电池研究的重点目标。大量研究表明,将贵金属纳米颗粒均匀分散负载在具有优异导电能力和大比表面积的碳载体上是实现这一目标的主要途径之一。本文以碳纳米管(CNTs)和石墨烯(Graphene)为催化剂载体,通过不同的合成方法实现贵金属颗粒在碳材料表面的小尺寸和高度分散,并分别对催化剂的形貌结构以及在甲醇氧化中的催化性能进行研究。本论文具体的研究工作如下：(1)利用p-环糊精(p-CD)对CNTs进行功能化修饰,其中β-CD可作为金属离子的还原剂和原始CNTs的分散剂,通过一步水热合成法制备不同Pt/Rh原子比(npt/nRh)的PtRh/p-CD-CNTs催化剂。对合成材料的结构、组成和微观形貌进行表征,并在电化学工作站上测试催化剂对甲醇氧化的催化性能和稳定性。结果表明作为分散剂和还原剂的p-CD有利于通过原位还原得到高分散和小粒径的PtRh纳米粒子。电化学测试结果显示npt/nRh值为1的Pt1Rh1/β-CD-CNTs催化剂具有优异的甲醇氧化电催化性能。(2)通过阴离子聚合物聚苯乙烯磺酸钠(PSS)对CNTs进行非共价功能化修饰形成PSS-CNTs,并以其为载体,制备出不同Pt/Ce原子比(npt/nce)比例的Pt-CeO2/PSS-CNTs。利用拉曼光谱(Raman)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能谱图(EDS)对催化剂的结构组成、形貌进行表征。采用循环伏安法(CV)、计时电流法(CA)测试技术考察催化剂在甲醇氧化中的电化学性能,并与Pt-CeO2/CNTs、商用E-TEK PtRu/C催化剂进行比较。TEM结果表明Pt纳米粒子负载在PSS-CNTs表面比在原始CNTs上呈现更好的分散性和更小的平均粒径。与Pt-CeO2/CNTs和E-TEK PtRu/C相比较,发现npt/nCe值为2/3时Pt-CeO2/PSS-CNTs催化剂对甲醇的电催化氧化有更高的催化活性和化学稳定性。(3)以石墨烯纳米片(Graphene nanosheets, GNs)为碳载体,首先利用简单的水热反应合成Mn304纳米棒／石墨烯复合物,再通过微波合成仪辅助乙二醇还原H2PtCl6,制备Pt/Mn3O4/GNs复合催化剂。通过XRD、TEM、EDS等技术手段对催化剂进行形貌和结构的表征,再利用CV、CA测试方法对甲醇氧化的电催化活性及稳定性进行考察,并与Pt/GNs、商用E-TEK PtRu/C催化剂进行比较。基于Pt与Mn304之间的协同作用,Pt/Mn3O4/GNs催化剂与Pt/GNs和E-TEK PtRu/C相比具有更大的ESA值,更高的质量比活性、面积比活性和电化学稳定性。
【关键词】：燃料电池 甲醇氧化 电催化剂 碳纳米管 石墨烯
【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12-26
• 1.1 燃料电池概述12-15
• 1.1.1 燃料电池基本工作原理12-13
• 1.1.2 燃料电池的特点13-14
• 1.1.3 燃料电池的分类14-15
• 1.1.4 燃料电池的技术发展及应用15
• 1.2 直接甲醇燃料电池(DMFC)15-21
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池的工作原理16
• 1.2.2 直接甲醇燃料电池的发展与应用16-17
• 1.2.3 直接甲醇燃料电池面临的技术难题17-19
• 1.2.4 直接甲醇燃料电池中阳极催化剂的研究现状19-21
• 1.3 直接甲醇燃料电池催化剂碳载体21-25
• 1.3.1 炭黑21-22
• 1.3.2 碳纳米管22-23
• 1.3.3 石墨烯23-24
• 1.3.4 其它碳载体24-25
• 1.4 本课题选择的意义和内容25-26
• 第2章 一步法合成PtRh/β-CD-CNTs催化剂及其对甲醇氧化的电催化研究26-39
• 2.1 前言26-28
• 2.2 实验部分28-31
• 2.2.1 实验药品28
• 2.2.2 实验仪器28-29
• 2.2.3 实验所需的溶液29
• 2.2.4 催化剂材料与电极的制备29-30
• 2.2.5 催化剂表征及其对甲醇氧化的电催化研究30-31
• 2.3 结果与讨论31-38
• 2.3.1 PtRh/β-CD-CNTs的红外表征31
• 2.3.2 PtRh/β-CD-CNTs的热重表征31-32
• 2.3.3 PtRh/β-CD-CNTs的阻抗分析32-33
• 2.3.4 PtRh/β-CD-CNTs的形貌结构表征33-34
• 2.3.5 PtRh/β-CD-CNTs的电化学性能研究34-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 Pt-CeO_2/PSS-CNTs催化剂的制备及其对甲醇氧化的电催化性能研究39-50
• 3.1 前言39-40
• 3.2 实验部分40-42
• 3.2.1 实验药品40
• 3.2.2 实验仪器40
• 3.2.3 实验所需溶液40
• 3.2.4 催化剂材料与电极的制备40-41
• 3.2.5 催化剂表征及其对甲醇氧化的电化学性能研究41-42
• 3.3 结果与讨论42-49
• 3.3.1 PSS-CNTs材料的拉曼光谱表征42
• 3.3.2 Pt-CeO_2/PSS-CNTs和Pt-CeO_2/CNTs的XRD表征42-43
• 3.3.3 Pt-CeO_2/PSS-CNTs和Pt-CeO_2/CNTs的TEM和EDAX分析43-45
• 3.3.4 Pt-CeO_2/PSS-CNTs催化剂的电化学性能研究45-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 Pt/Mn_3O_4/GNs催化剂的制备及其对甲醇氧化的电催化研究50-60
• 4.1 前言50-51
• 4.2 实验部分51-53
• 4.2.1 实验药品51
• 4.2.2 实验仪器51-52
• 4.2.3 实验所需的溶液52
• 4.2.4 催化剂材料与电极的制备52-53
• 4.2.5 催化剂的表征及其对甲醇氧化的电催化性能测试53
• 4.3 结果与讨论53-59
• 4.3.1 Mn_3O_4/GNs的形貌表征53-54
• 4.3.2 Pt/Mn_3O_4/GNs和Pt/GNs的形貌表征54-56
• 4.3.3 Pt/Mn_3O_4/GNs和Pt/GNs的XRD表征56
• 4.3.4 Pt/Mn_3O_4/GNs对甲醇氧化的电化学性能研究56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 结论60-61
• 参考文献61-76
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录76-77
• 致谢77

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本文编号：787847