石墨烯—碳纳米管负载型催化剂催化氧化甲醇研究

发布时间：2017-10-03 19:42

  本文关键词：石墨烯—碳纳米管负载型催化剂催化氧化甲醇研究

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【摘要】：直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells, DMFC)是一种能够将甲醇通过在电极与电解质溶液的界面上发生化学反应直接将燃料的化学能转变为电能的一种装置,具有能量转化效率高、操作温度低和环境友好等优点。传统的铂(Pt)基催化剂是目前使用最广泛的用于甲醇电催化氧化的电催化剂,由于Pt价格昂贵、资源稀缺且容易被甲醇电催化氧化过程中产生的中间产物占据活性位点而造成催化剂中毒等问题,因此降低Pt的含量或者设计不含Pt的催化剂,同时提高催化剂的抗毒性、催化活性和稳定性成为研究的重点。一维的碳纳米管和二维的石墨烯具有：大的比表面积,有利于催化剂的分散；卓越的导电性,有利于氧化还原过程中电子的转移；化学转化得到的石墨烯含有的缺陷和官能团有利于催化剂的粘附和固定在其表面。因此,二者作为催化剂的载体而受到广泛关注。基于以上思路,本文从催化剂的载体着手,以降低Pt的含量或者设计不含Pt的高性能催化剂为目标,开展以下研究：(1) Pd/NrGO@NCNTs复合材料的合成及其对甲醇电催化氧化性能研究：本文中,采用一步电沉积含有氯钯酸钠的氧化石墨烯与碳纳米管的胶体溶液,制备了还原氧化石墨烯与碳纳米管负载Pd纳米粒子复合材料(Pd/rGO@CNTs),再经过氨热处理,实现碳载体的氮掺杂和Pd纳米粒子的减小,得到了氮掺杂的还原氧化石墨烯与碳纳米管负载超细Pd纳米粒子(Pd/NrGO@NCNTs)。通过电化学性能表征实验,结果表明：Pd/NrGO@NCNTs复合材料对甲醇电催化氧化的最大峰电流(895.9 A g-1)是商业的Pd/C (120.0 A g-1)催化剂备7.47倍,表现出很高的催化活性、稳定性和抗毒性。(2) Pt/Cu/rGO@CNTs的制备及其对甲醇电催化氧化性能探究：通过一步电沉积含有硫酸铜(CuSO4)的氧化石墨烯与碳纳米管悬浮液制备了三维网络结构的还原氧化石墨烯与碳纳米管负载铜纳米片的复合材料,然后通过与氯铂酸的简单置换反应,合成了三维网络结构的还原氧化石墨烯和碳纳米管负载Pt/Cu电催化剂(Pt/Cu/rGO@CNTs).通过扫描电镜、透射电镜等表征手段说明Pt是生长在Cu纳米片的表面,以形成富Pt的结构,提高了Pt催化剂的利用率,同时电化学实验表明该复合材料对甲醇电催化氧化表现出了很好的电催化活性、稳定性和抗毒性。
【关键词】：石墨烯-碳纳米管 贵金属 甲醇氧化 稳定性 抗毒性
【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
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 燃料电池概述11
• 1.2 直接甲醇燃料电池概述11-14
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池的优点11-12
• 1.2.2 直接甲醇燃料电池的结构以及工作原理12
• 1.2.3 直接甲醇燃料电池甲醇的电催化氧化机理12-13
• 1.2.4 直接甲醇燃料电池阳极催化剂面临的主要问题13-14
• 1.3 直接甲醇燃料电池阳极电催化剂的种类14-16
• 1.3.1 铂及铂基阳极电催化剂14-15
• 1.3.2 钯及钯基阳极电催化剂15-16
• 1.3.3 其它非贵金属阳极电催化剂16
• 1.4 直接甲醇燃料电池阳极电催化剂的载体16-20
• 1.4.1 炭黑16-17
• 1.4.2 碳纳米管17
• 1.4.3 石墨烯17-18
• 1.4.4 导电聚合物18-19
• 1.4.5 金属化合物19
• 1.4.6 复合载体材料19-20
• 1.5 本课题研究意义和内容20-22
• 第2章 Pd/NrGO@NCNTs复合材料的合成及其对甲醇电催化氧化性能研究22-38
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 实验仪器和试剂23-24
• 2.2.2 氧化石墨的制备24
• 2.2.3 电沉积前驱液的制备24
• 2.2.4 氯钯酸钠溶液的制备24
• 2.2.5 复合材料的制备24-25
• 2.2.6 商业Pd/C催化剂的制备25
• 2.2.7 复合材料的表征25
• 2.2.8 复合材料对甲醇电催化氧化的电化学性能表征25
• 2.2.9 复合材料对纯一氧化碳电催化氧化的电化学性能实验25-26
• 2.3 结果与讨论26-37
• 2.3.1 氧化石墨烯-碳纳米管胶体溶液的制备26
• 2.3.2 复合材料的电镜表征26-31
• 2.3.3 复合材料的XRD表征31
• 2.3.4 复合材料的拉曼光谱表征31-32
• 2.3.5 复合材料的XPS表征32-33
• 2.3.6 复合材料的电化学活性表面积33-34
• 2.3.7 复合材料对甲醇电催化氧化的活性34-35
• 2.3.8 复合材料对甲醇电催化氧化的稳定性35-36
• 2.3.9 复合材料对纯一氧化碳电催化氧化的活性36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 Pt/Cu/rGO@CNTs的制备及其对甲醇电催化氧化性能研究38-51
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39-41
• 3.2.1 实验设备和试剂39-40
• 3.2.2 氧化石墨的制备40
• 3.2.3 电沉积前驱液的制备40
• 3.2.4 复合材料的制备40-41
• 3.2.5 商业Pt/C催化剂的制备41
• 3.2.6 复合材料的表征41
• 3.2.7 复合材料对甲醇电催化氧化的电化学表征41
• 3.2.8 复合材料对纯一氧化碳电催化氧化的电化学实验41
• 3.3 结果与讨论41-50
• 3.3.1 复合材料的制备41-42
• 3.3.2 复合材料的电镜表征42-45
• 3.3.3 复合材料的XRD表征45-46
• 3.3.4 复合材料的拉曼光谱表征46
• 3.3.5 复合材料的电化学活性表面积46-47
• 3.3.6 复合材料对甲醇电催化氧化的活性47-48
• 3.3.7 复合材料对甲醇电催化氧化的稳定性48-49
• 3.3.8 复合材料对纯一氧化碳电催化氧化的活性49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 结论51-52
• 展望52-53
• 参考文献53-66
• 附录A 攻读硕士学位论文期间发表的论文66-67
• 致谢67

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