Pt基纳米分枝结构的制备及其电催化甲醇性能研究

发布时间：2017-09-06 11:19

  本文关键词：Pt基纳米分枝结构的制备及其电催化甲醇性能研究

  更多相关文章： 燃料电池 铂基催化剂 高度分枝 氧化刻蚀 甲醇氧化

【摘要】：直接甲醇燃料电池(DMFC)因其结构简单、能量密度高、原料来源广、环境友好等诸多优点,成为未来燃料电池发展的重要方向。阳极和阴极催化剂的催化活性和稳定性是决定DMFC性能、寿命和成本的关键。铂(Pt)是迄今为止公认的高效DMFC催化剂,然而其低储量高成本以及易毒化严重限制了DMFC的商业化进展,同时非Pt类催化剂的活性和稳定性还需要进一步地提高,以达到商业化应用的标准。组分、形貌、结构可控的Pt基纳米催化剂,因具有独特的表面结构而显示出优越的物理化学性质,尤其在催化领域受到广泛地研究。特别是高度分枝的催化剂往往具有较大的比表面积,有利于活性位点地暴露,在提高催化性能的同时还可以大大地减少贵金属用量。本论文基于操作简单、条件温和以及环境友好的原则进行Pt基纳米分枝结构物电极材料地可控制备和电催化性能表征。具体研究内容如下：1.利用乙二胺四亚甲基膦酸(]EDTMPA)作为络合剂和稳定剂,以甲醛(HCHO)为还原剂一步还原EDTMP-PtⅡ络合物,制备出膦酸功能化Pt纳米枝。结果表明：适量的还原剂和Cl-/O_2刻蚀导致其高度分枝的形貌结构地产生。循环伏安和计时电流测试结果表明：所制备的催化剂对甲醇电催化氧化的活性和稳定性比商业化Pt黑催化剂具有一定地提升。2.使用聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)作为络合剂、稳定剂以及晶面选择剂,甲醛(HCHO)为还原剂,提出了一种简易可行的绿色水热法合成形貌规则的铂铜双金属合金纳米枝(Pt-Cu BANDs)。通过对组分、结构、形貌的全面表征,探索了诱导还原和氧化刻蚀的形成机理。循环伏安曲线(CV)和计时电流测试(i-t curve)证实：与商业化Pt黑催化剂相比,Pt-Cu BANDs在电催化甲醇氧化方面显示出更为优越的活性(质量活性、面积活性)以及稳定性,这归因于协同效应以及电子效应地共同作用。3.通过前一章工作制备的Pt-Cu合金纳米粒子为模板,以K_2PdCl4为刻蚀剂,基于原位取代反应机理制备铂钯铜合金凹八面体(PtPdCu ACNOs)催化剂。PtPdCu ACNOs的形貌、组成以及结构通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、元素分布(Mapping)、能量色散X-射线能谱仪(XPS)、X-射线衍射(XRD)等进行表征。电化学测试表明和Pt-Cu BANDs以及商业化Pt催化剂相比,所制备的PtPdCu ACNOs显示出更高的催化活性、抗毒化能力和稳定性。
【关键词】：燃料电池 铂基催化剂 高度分枝 氧化刻蚀 甲醇氧化
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-29
• 1.1 燃料电池简介8-11
• 1.1.1 燃料电池基本特点及分类8-10
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池10-11
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池发展瓶颈11
• 1.2 直接甲醇燃料电池11-15
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池工作原理12-13
• 1.2.2 甲醇氧化机理13-15
• 1.3 直接甲醇燃料电池阳极电催化剂研究进展15-22
• 1.3.1 Pt催化剂16-18
• 1.3.2 Pt基催化剂18-21
• 1.3.3 非Pt基催化剂21-22
• 1.4 Pt基纳米材料的常用制备方法22-26
• 1.4.1 浸渍还原法23
• 1.4.2 模板法23-24
• 1.4.3 液相化学还原法24
• 1.4.4 溶胶-凝胶法24-25
• 1.4.5 电化学沉积法25
• 1.4.6 Galvanic置换法25-26
• 1.5 Pt基催化剂材料的常用表征手段26-28
• 1.5.1 透射电子显微镜26
• 1.5.2 扫描电子显微镜26
• 1.5.3 能量色散X-射线能谱仪26-27
• 1.5.4 X-射线衍射27
• 1.5.5 紫外吸收-可见光谱27
• 1.5.6 红外光谱27-28
• 1.6 本论文的工作思路及主要研究内容28-29
• 1.6.1 研究思路28
• 1.6.2 主要研究内容28-29
• 第2章 膦酸功能化铂纳米枝的制备及其对甲醇电催化氧化29-40
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验部分30-32
• 2.2.1 试剂30
• 2.2.2 膦酸功能化Pt纳米枝的制备30
• 2.2.3 物理表征30-31
• 2.2.4 电化学测试31-32
• 2.3 结果与讨论32-39
• 2.3.1 膦酸功能化Pt纳米枝形态和组成32-33
• 2.3.2 膦酸功能化Pt纳米枝的形成机理33-37
• 2.3.3 膦酸功能化Pt纳米枝的电化学活性和稳定性37-39
• 2.4 结论39-40
• 第3章 基于氧化刻蚀的铂铜合金纳米枝制备及其在甲醇电催化氧化中的应用40-53
• 3.1 引言40-41
• 3.2 实验部分41-42
• 3.2.1 试剂和化学药品41
• 3.2.2 Pt-Cu BANDs的制备41
• 3.2.3 物理表征41-42
• 3.2.4 电化学测试42
• 3.3 结果与讨论42-52
• 3.3.1 Pt-Cu BANDs的物理表征42-45
• 3.3.2 Pt-Cu BANDs的形成机理探索45-48
• 3.3.3 Pt-Cu BANDs的的催化性能研究48-52
• 3.4 结论52-53
• 第4章 原位取代法制备铂钯铜三元合金催化剂及其对甲醇电催化氧化53-63
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验部分54-55
• 4.2.1 化学试剂和药品54
• 4.2.2 PtPdCu ACNOs的制备54
• 4.2.3 PtPdCu ACNOs的物理表征54-55
• 4.2.4 PtPdCu ACNOs的催化性能测试55
• 4.3 结果与讨论55-62
• 4.3.1 PtPdCu ACNOs的表征55-57
• 4.3.2 PtPdCu ACNOs的形成机理57-59
• 4.3.3 PtPdCu ACNOs的催化性能59-62
• 4.4 结论62-63
• 第5章 总结与展望63-65
• 参考文献65-77
• 硕士在读期间发表的学术论文77-78
• 致谢78

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