三维钛基纳米线复合结构的可控合成与甲醇氧化性能研究

发布时间：2018-04-04 06:11

  本文选题：TiO_2纳米线　切入点：Pt纳米线　出处：《合肥工业大学》2017年硕士论文

【摘要】：直接甲醇燃料电池是一种环境友好型电池,具有结构简单、无污染的能量转换过程等特点,在清洁能源的领域具有广泛的应用前景。在传统商业电极中是以碳黑作为贵金属Pt的载体,然而,碳黑容易随着反应的进行在溶液中被腐蚀,另一方面,贵金属Pt作为催化剂大大增加了电池的成本,这阻碍了燃料电池的商业化。本论文中作者将水热合成法、磁控溅射法与化学气相法相结合制备出具有三维空间结构的TiO2和TiN/TiO2纳米线作为催化剂载体,采用甲酸还原的方法在其表面获得了Pt纳米颗粒与超细Pt纳米线以及PtCu合金,系统研究了复合催化剂的电化学催化性能。主要研究结果如下:(1)通过水热合成法制备得到了锐钛矿型TiO2纳米阵列,通过对温度、溶液碱性等因素的调节,可以控制生长TiO2纳米线与纳米带。获得的高纵横比的TiO2纳米线阵列,纳米线的直径分布在50-100nm之间,长度在1-10μm左右。(2)利用磁控溅射的方法,先在TiO2纳米线阵列的表面溅射一层TiN薄膜,然后在高温下的氨气气氛中,对TiO2纳米线进行氮化处理,研究了氮化温度对TiO2的物相和形貌的影响,通过改变不同的氮化温度,实现了TiO2转化为TiN物相。最后,综合选择800°C的氮化温度制备的样品TiN/TiO2化合物,作为复合催化剂的载体。(3)采用甲酸还原法在TiO2纳米线上负载贵金属Pt,获得了Pt纳米颗粒与超细Pt纳米线,成功制备出Pt/TiO2复合物,并与Pt/Ti-mesh复合物进行比较,由于TiO2纳米线与Pt存在协同作用,在甲醇氧化的性能测试中,Pt/TiO2复合物具有更优的电催化性能和稳定性。(4)采用甲酸还原法在氮化后的TiO2纳米线上负载贵金属Pt,获得了Pt纳米颗粒与超细Pt纳米线,成功制备出Pt/TiN/TiO2复合物,并与Pt/C商业催化剂进行比较,Pt/TiN/TiO2复合物具有更好的电催化活性和稳定性。是因为氮化之后的TiO2具有优良的导电性、耐腐蚀性和稳定性。(5)采用甲酸还原法在氮化后的TiO2纳米线上负载Pt Cu的合金,成功制备出PtCu/TiN/TiO2复合物,通过研究不同Pt/Cu比例,测试PtCu/TiN/TiO2复合材料的电催化性能。结果表明,在一定的Pt含量中,在一定范围内,随着Cu含量的增加,样品表现出更好的催化性能,当Pt和Cu的比例为3:1时,复合催化剂表现出最高的甲醇氧化的催化性能。
[Abstract]:Direct methanol fuel cell (DMFC) is an environment-friendly battery with simple structure and pollution-free energy conversion process. It has a wide application prospect in the field of clean energy.In traditional commercial electrode, carbon black is used as the carrier of precious metal Pt. However, carbon black is easy to be corroded in solution with the reaction. On the other hand, the noble metal Pt as catalyst greatly increases the cost of the battery.This hinders the commercialization of fuel cells.In this thesis, TiO2 and TiN/TiO2 nanowires with three-dimensional structure were prepared by hydrothermal synthesis, magnetron sputtering and chemical vapor method.Pt nanoparticles, ultrafine Pt nanowires and PtCu alloys were obtained on the surface by formic acid reduction. The electrochemical catalytic properties of the composite catalysts were systematically studied.The main results are as follows: (1) anatase TiO2 nanowires were prepared by hydrothermal synthesis. The growth of TiO2 nanowires and nanobelts could be controlled by adjusting the temperature, solution alkalinity and other factors.The obtained TiO2 nanowire arrays with high aspect ratio, the diameter of nanowires distributed between 50-100nm and the length of nanowires ranged from 1 to 10 渭 m, were sprayed on the surface of TiO2 nanowires by magnetron sputtering, and then in ammonia atmosphere at high temperature.The effect of nitridation temperature on the phase and morphology of TiO2 nanowires was studied. By changing the nitridation temperature, TiO2 was transformed into TiN phase.Finally, Pt nanoparticles and ultrafine Pt nanowires were obtained by loading noble metal Pt on TiO2 nanowires by formic acid reduction method.Pt/TiO2 complexes were successfully prepared and compared with Pt/Ti-mesh complexes. Because of the synergistic effect of TiO2 nanowires and Pt,In the performance test of methanol oxidation, the Pt- / TiO2 composite has better electrocatalytic performance and stability. The Pt nanoparticles and ultrafine Pt nanowires were obtained by formic acid reduction method loaded on nitrided TiO2 nanowires.The Pt/TiN/TiO2 complex was successfully prepared, and compared with the commercial Pt/C catalyst, the PTR / TiN / TiO2 composite had better electrocatalytic activity and stability.Because nitrided TiO2 has excellent electrical conductivity, corrosion resistance and stability. 5) by formic acid reduction method, Pt Cu alloy loaded on nitrided TiO2 nanowires has been successfully prepared, and PtCu/TiN/TiO2 composites have been successfully prepared by studying different Pt/Cu ratios.The electrocatalytic properties of PtCu/TiN/TiO2 composites were tested.The results show that in a certain Pt content and in a certain range, with the increase of Cu content, the sample exhibits better catalytic performance. When the ratio of Pt to Cu is 3:1, the composite catalyst exhibits the highest catalytic performance for methanol oxidation.
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TM911.4

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本文编号：1708705