碳纳米管负载PdNi和PdNiCo复合纳米催化剂的制备及其对乙醇氧化的电活性

发布时间：2017-09-21 00:43

  本文关键词：碳纳米管负载PdNi和PdNiCo复合纳米催化剂的制备及其对乙醇氧化的电活性

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【摘要】：燃料电池被认为是21世纪高效、清洁、环保的发电技术。研究非Pt的Pd基催化剂对燃料电池阳极催化剂的研究具有重要的理论与实际意义。考虑到非贵金属Ni和Co等对乙醇氧化显示出一定的催化活性,因此本论文在Pd催化剂制备过程中加入Ni和Co,制备复合纳米催化剂,并对它们进行物理表征和电催化活性研究。(1)分别在EDTA,甘氨酸(Gly)和木质素磺酸钠(Ls)存在下,以硼氢化钠为还原剂,将Pd~(2+)还原为Pd纳米颗粒并负载在多壁碳纳米管(MWCNT)表面。采用扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)和X射线粉末衍射(XRD)对纳米Pd催化剂的形貌和微结构进行了表征。结果表明:EDTA存在时,所形成的Pd纳米颗粒(Pd-EDTA/MWCNT)的粒径更小,在MWCNT上的分散度更高。采用循环伏安(CV)和计时伏安技术(CA),研究了催化剂在碱性环境中对乙醇的电催化活性。在碱性溶液中对乙醇氧化的电化学研究表明:在Pd-EDTA/MWCNT催化剂上,乙醇氧化反应的起始电位较低,电流密度最大,电子传递阻力较小,反应速率较大,并且对乙醇氧化的电催化活性保持稳定。(2)采用传统的化学还原法,以硼氢化钠为还原剂,MWCNT为载体,制备了不同比例的Pd-Ni/MWCNT和Pd-Ni-Co/MWCNT纳米催化剂。TEM测试结果表明催化剂的粒径大小集中在5 nm,在乙醇溶液中的循环伏安测试结果表明,当Pd:Ni/(NiCo)=8:2时,催化剂对乙醇电氧化反应的催化活性最好,催化剂Pd_8(NiCo)_2/MWCNT和Pd_8Ni_2/MWCNT存在下最大电流密度分别为159.2m A·cm~(-2)和133.9 m A·cm~(-2)。在对催化剂Pd/MWCNT、Pd_8(NiCo)_2/MWCNT和Pd_8Ni_2/MWCNT的计时电流对比中,催化剂Pd_8(NiCo)_2/MWCNT的电流密度明显大于另外两种催化剂,3种催化剂都有较好的稳定性。在交流阻抗分析中,催化剂Pd_8(NiCo)_2/MWCNT的阻抗值均比Pd/MWCNT和Pd_8Ni_2/MWCNT的阻抗值低,也表明在乙醇的催化氧化过程中,催化剂Pd_8(NiCo)_2/MWCNT表现出较低的电荷转移阻抗值、较大的电化学氧化速率和较好的催化活性。(3)通过原位还原法制备了Pd负载量极低的Pd纳米颗粒。首先采用化学还原法将Ni负载在MWCNT上形成纳米Ni/MWCNT催化剂。在Ni/MWCNT催化剂中按不同比例逐滴加入Pd Cl2溶液,Pd~(2+)在Ni/MWCNT催化剂表面原位还原成Pd纳米颗粒。采用扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对所合成的纳米催化剂(Pd4.1Ni1/MWCNT,Pd3.7Ni1/MWCNT和Pd1.3Ni1/MWCNT)进行表征,并对催化剂在碱性溶液中的电催化活性进行了测试。与同等条件下以Na BH4为还原剂制备的纯Pd催化剂对比,以原位还原法制备的Pd-Ni/MWCNT催化剂具有更低的Pd含量,对乙醇氧化有更强的电催化性能。在循环伏安测试中,Pd3.7Ni1/MWCNT催化剂正向扫描的氧化峰达到130.9m A·cm~(-2)·μg(Pd)-1,是Pd/MWCNT正向氧化峰的11倍多。(4)采用化学还原法,以水合肼为还原剂,在水和乙醇的混合溶液中制备负载于多壁碳纳米管(MWCNT)上的纳米镍(Ni/MWCNT)和纳米镍钴(Ni-Co/MWCNT)颗粒,然后将它们分别与氯化钯溶液反应,形成的钯纳米颗粒原位沉积在MWCNT表面,得到MWCNT负载的Pd-Ni/MWCNT和Pd-Ni-Co/MWCNT催化剂。SEM和TEM图像显示,MWCNT表面上的催化剂颗粒是由5~10 nm的小颗粒团聚而成的30~100 nm的大颗粒,三金属催化剂的粒径比双金属的粒径小,在MWCNT上的分散度更高,结合ICP和EDS测试显示,Pd直接还原并包覆在纳米镍和纳米镍钴表面;采用循环伏安和计时电流技术,研究了催化剂在碱性溶液中对乙醇氧化的电催化活性,结果表明,三金属催化剂Pd-Ni-Co/MWCNT对乙醇氧化具有强的电催化活性,乙醇氧化对应的峰电流密度达101.8 m A·cm~(-2),并且催化剂催化活性稳定。
【关键词】：直接醇燃料电池 Pd基催化剂 乙醇电氧化 电催化氧化
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 燃料电池的概述13-21
• 1.2.1 FC的工作原理14
• 1.2.2 FC的分类14-21
• 1.3 直接醇燃料电池21-23
• 1.4 直接乙醇燃料电池23-27
• 1.4.1 DEFC主要面临的问题23-25
• 1.4.2 直接醇燃料电池的催化剂25-27
• 1.4.2.1 Pt基催化剂25-26
• 1.4.2.2 Pd基催化剂26-27
• 1.4.2.3 其他催化剂27
• 1.5 本论文的研究工作27-29
• 1.5.1 研究意义27-28
• 1.5.2 主要目标28
• 1.5.3 研究内容28
• 1.5.4 研究方法28-29
• 第二章 实验试剂与仪器29-33
• 2.1 实验试剂与仪器29-30
• 2.2 催化剂的物理表征30-31
• 2.2.1 催化剂的形貌和结构表征30-31
• 2.2.2 等离子发射光谱分析31
• 2.2.3 X射线光电子能谱分析31
• 2.3 电化学性能测试31-33
• 2.3.1 电极制备31
• 2.3.2 电化学测试31-33
• 第三章 配位体对钯纳米催化剂的形成及其电活性的影响33-47
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验试剂与仪器34
• 3.3 实验部分34
• 3.3.1 多壁碳纳米管的预处理34
• 3.3.2 催化剂的制备34
• 3.3.3 样品测试34
• 3.4 结果与讨论34-45
• 3.4.1 催化剂的形貌特征34-37
• 3.4.2 催化剂在NaOH空白溶液中的循环伏安特性37-38
• 3.4.3 催化剂对乙醇氧化的电活性38-45
• 3.5 结论45-47
• 第四章 化学法制备钯基催化剂及其电活性47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 实验药品与设备47-48
• 4.2.2 催化剂的制备48
• 4.2.3 工作电极的制备48
• 4.3 结果讨论48-57
• 4.3.1 催化剂的表征48-51
• 4.3.2 催化剂的电化学活性测试51-57
• 4.3.2.1 催化剂在NaOH空白溶液中的循环伏安特性51-53
• 4.3.2.2 催化剂对乙醇氧化反应的催化活性53-55
• 4.3.2.4 计时电流分析55-56
• 4.3.2.5 交流阻抗分析56-57
• 4.4 结论57-59
• 第五章 原位还原法制备低Pd含量及高电化学活性的Pd-Ni双金属纳米催化剂59-75
• 5.1 前言59-60
• 5.2 实验部分60-61
• 5.2.1 催化剂的制备:60-61
• 5.2.2 测试61
• 5.3 实验结果与讨论61-72
• 5.3.1 催化剂的形貌表征61-63
• 5.3.2 催化剂的XRD测试63-64
• 5.3.3 催化剂的XPS测试64-65
• 5.3.4 催化剂在NaOH溶液中的循环伏安测试65
• 5.3.5 催化剂对乙醇氧化反应的电催化活性65-72
• 5.4 结论72-75
• 第六章 碳纳米管上原位沉积钯-钴-镍纳米颗粒及其对乙醇氧化的电活性75-89
• 6.1 引言75
• 6.2 实验部分75-76
• 6.2.1 实验试剂与仪器75-76
• 6.2.2 催化剂的制备76
• 6.2.3 样品测试76
• 6.3 结果与讨论76-87
• 6.3.1 催化剂的物理表征76-80
• 6.3.2 催化剂的循环伏安测试80-82
• 6.3.3 催化剂的计时电流分析82-87
• 6.4 结论87-89
• 第七章 结论与展望89-93
• 7.1 结论89-91
• 7.2 展望91-93
• 参考文献93-105
• 致谢105-107
• 附录（文章和专利等）107-108

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：891390