碱性直接醇类燃料电池Pd基阳极催化剂的制备及性能研究

发布时间：2017-11-06 20:35

  本文关键词：碱性直接醇类燃料电池Pd基阳极催化剂的制备及性能研究

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【摘要】：碱性直接醇类燃料电池(Alkaline Direct Alcohols Fuel Cell, ADAFC)因其具有高能量密度、环境友好等特点受到了研究者的广泛关注。传统的碱性直接醇类燃料电池阳极催化剂存在成本高昂、催化活性不高、电化学稳定性差等问题。因此，设计使用低成本、高催化活性、高稳定性的催化剂成为了碱性直接醇类燃料电池的研究热点。本研究针对以上问题，设计和制备了具有高催化活性和高稳定性的非铂Pd基催化剂，并对碱性介质中Pd基催化剂表面醇类氧化反应过程开展了基础研究工作。 优化了Au@Pd纳米核壳催化剂的制备工艺，Au@Pd外壳前驱体加量、外壳金属及金属配比等关键因素对催化剂性能的影响。分析了三相相转移法制备过程中中间相和还原剂等关键因素对催化剂形貌和性能的影响；研究Au@Pd纳米核壳催化剂在碱性介质中对甲醇氧化反应的催化活性，对其催化活性提高机制进行分析；实验结果表明，中间相和还原剂会影响Pd前驱体在还原过程中的反应速率，进而影响Au@Pd颗粒的形貌和催化活性。具有核壳结构的Au@Pd催化剂的催化活性和稳定性远远高于传统的纯Pd催化剂，其内核Au颗粒与外壳Pd金属之间的电子相互作用是Au@Pd催化剂催化活性和稳定性提高的主要原因。 为了进一步降低催化剂的成本，利用热分解法制备了均匀分散的纳米尺度的CeO2颗粒，并将其作为核壳结构催化剂内核，利用三相相转移法制备了Pd纳米颗粒环绕CeO2纳米颗粒的结构的Pd-around-CeO2纳米结构复合催化剂。催化剂性能测试结果表明：该催化剂在碱性介质中对乙醇氧化反应的催化活性较传统的Pd/CeO2/C和Pd/C有1.8和5.8倍的提高(CA测试)。乙醛溶出曲线和XPS结果表明：催化剂性能的提高是由于Pd与CeO2之间存在着强烈的相互作用，并提出了这种Pd与CeO2纳米颗粒之间存在的“双效提升机理”。 为了进一步提升氧化物与Pd之间的相互作用，利用并发展了热分解法制备氧化物纳米颗粒的技术工艺，成功的制备具有纳米尺寸的球形的均匀分散的Ni掺杂CeO2纳米颗粒；在碱性介质中研究了Ni掺杂CeO2纳米颗粒对Pd催化剂的助催化效应。催化剂性能测试结果表明：Ni掺杂CeO2纳米颗粒在碱性介质乙醇氧化反应中对Pd催化剂都具有明显的助催化效应。相比Pd/CeO2/C和Pd/C催化剂，Pd/Ni-CeO2/C催化剂具有更高的乙醇氧化反应催化活性，CeO2纳米颗粒经过Ni掺杂后释放活性氧能力的明显提高是Pd/Ni-CeO2/C催化剂性能提高的主要原因。为了进一步提高掺杂氧化物的助催化性能和催化剂的稳定性，利用溶剂热 法制备了具有一维树枝状纳米线结构的Pd掺杂CeO2树枝状纳米线，，并以包碳后的树枝状纳米线为载体制备了Pd/C@Pd-CeO2NWs催化剂。研究了Pd掺杂量、反应时间、硝酸添加量等关键因素对制备Pd掺杂CeO2树枝状纳米线结构的形貌影响，并提出Pd掺杂CeO2树枝状纳米线在溶剂热环境中的形成机制；以包碳后的一维Pd掺杂CeO2树枝状纳米线为载体，利用微波乙二醇还原法成功制备了Pd/C@Pd-CeO2NWs催化剂，该催化剂在碱性介质中具有很高的乙醇氧化反应催化活性和稳定性；研究发现，Pd的掺杂能够大大的提高CeO2释放/储存氧能力，提高CeO2助催化效率，这是Pd/C@Pd-CeO2NWs催化剂电催化活性提升的原因；催化剂一维树枝状纳米线CeO2载体具有极高的耐腐蚀性能，这是该催化剂具有高稳定性的重要原因。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM911.4;O643.36

【参考文献】

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本文编号：1149313