新型燃料电池电催化剂的合成及其性能的研究

发布时间：2018-04-12 17:57

本文选题：Ti0.7W0.3O2 + 碳纳米管　；参考：《华东交通大学》2015年硕士论文

【摘要】：燃料电池电催化剂是燃料电池的一部分，它影响着燃料电池的性能，也是燃料电池成本的一个重要组成部分，它是燃料电池能否商业化推广的关键因素。目前，常用的催化剂是商业Pt/C催化剂，由于成本高，资源有限，严重阻碍着Pt/C催化剂的商业化生产。特别的，Pt/C催化剂在甲醇催化过程中易CO中毒，在氧气催化还原过程中，因为甲醇渗透，产生混合电位等缺点，使得Pt/C催化剂的催化活性下降，从而也影响着燃料电池的商业化生产。因此，制备高活性，低成本，稳定性好的新型电催化剂越来越引起研究者的关注。本论文从贵金属-非贵金属合金、载体、氮源、铁源等四个方面，通过SEM，XRD，EDS，FTIR，XPS，TGA等研究手段对其进行结构形貌表征，通过电化学测试手段研究了它们对甲醇，对氧气的催化性能的影响。详细内容如下： 1.制备新型贵金属-非贵金属催化剂，研究其在甲醇燃料电池中的催化活性。以氮-氮-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂和还原剂，制备Pt NPs、PtCu催化剂，经过酸处理，得到纯净的PtCu催化剂。并对其进行XRD，SEM，EDS进行表征，观察催化剂的形貌，测量催化剂中Pt的含量，及催化剂的组成。在酸性条件下，研究PtCu、PtNPs、Pt/C催化剂在燃料电池中作为阳极催化剂对甲醇的催化能力，抗CO中毒能力，及它们作为阴极催化剂对氧气的催化还原性能。 2.其次我们研究了不同碳载体对Pt催化剂催化活性的影响。 Ti0.7W0.3O2是一种导电性与C相比较弱的载体，但它含有的WO2可以很好的增强Pt抗CO的中毒能力，与C形成复合材料，即可以增强其导电性，又可以增强Pt催化剂抗CO的能力，提高催化活性。我们先通过溶胶凝胶法制备Ti0.7W0.3O2，然后通过水热反应初步制备Ti0.7W0.3O2@C，再经过热处理，制备具有新型核壳结构的Ti0.7W0.3O2@C。最后利用硼氢化钠原位还原得到了Pt/Ti0.7W0.3O2@C，这是一种新型的燃料电池催化剂。我们通过XRD、SEM、EDS对其结构进行表征，通过研究Pt/C、Pt/Ti0.7W0.3O2、Pt/Ti0.7W0.3O2@C催化剂在酸性溶液中对甲醇氧化的催化能力，对氧气还原的催化能力，，以及比较其在酸性溶液中的稳定性，研究不同碳载体对Pt催化剂催化性能的影响。 3.再次我们研究了N源、Fe源对催化剂催化活性的影响。研究证明N源可以促进活性中心的形成，提高对氧气还原的催化能力，不同的N源对催化剂的影响不同。盐酸多巴胺是一种易溶于水的氮源，其单体含氮量约为7.4%，在pH=8.5的情况下容易发生自聚合生产聚多巴胺，经过高温热处理可以形成类卟啉环结构的物质。因此，我们将已经洗涤至中性的羧基化CNTs均匀分散在水中，加入盐酸多巴胺，用Tris-HCl缓冲液调pH=8.5，使聚多巴胺沉积在表面，经热处理，在CNTs上负载一层类卟啉环结构的NC，得到CNTs@NC催化剂，再与铁源络合，热处理，制备Fe-CNTs@NC催化剂。通过FTIR、XPS对其结构进行表征，通过对CNTs@NC、Fe-CNTs@NC、Pt/C催化剂在碱性条件下对氧气还原催化性能的检测，研究多巴胺，铁源对催化剂催化还原氧气的促进能力，制备新型的Fe-CNTs@NC催化剂。 4.研究表明，增大N的掺杂量可以很好的提高催化剂的催化活性，我们希望提高N源的含氮量来进一步的提高催化剂对氧气的催化还原能力。按照文献合成一种氮含量高（12%），多孔性的有机金属框架化合物(ZIF-90)，常用于气体分离。其单体含有两个N原子，两个Zn离子，利用高温热处理，可以造成Zn的流失。因此，将ZIF-90与CNTs充分混合，热处理以后，随着Zn的流失，会在CNTs表面造成多孔结构，有利于O2分子向电极表面扩散，有利于氧气还原电催化反应的进行；得到样品，经过酸处理，除去多余的Zn，得到N-CNTs催化剂，然后加入Fe源，再进行热处理，得到多孔的Fe-N-CNTs催化剂。通过FTIR、XPS进行结构表征，对ZIF-90，N-CNTs，Fe-N-CNTs、Pt/C进行氧气还原表征，研究ZIF-90、N-CNTs、Fe-N-CNTs催化氧气还原的能力，和耐甲醇的能力。
[Abstract]:In this paper , the catalytic activity of Pt / C catalyst is studied by means of SEM , XRD , EDS , FTIR , XPS , TGA etc . The catalytic performance of Pt / C catalyst is studied by means of SEM , XRD , EDS , FTIR , XPS and TGA .

1 . A new noble metal - non - noble metal catalyst was prepared and its catalytic activity in methanol fuel cell was studied .

A pure PtCu catalyst was prepared by using nitrogen - nitrogen - dimethyl formamide ( DMF ) as solvent and reducing agent . The catalysts were characterized by XRD , SEM and EDS . The catalysts were characterized by XRD , SEM and EDS . The catalysts were characterized by XRD , SEM and EDS . The catalysts were characterized by XRD , SEM and EDS .

2 . Secondly , we studied the influence of different carbon carriers on the catalytic activity of Pt catalyst .

The catalytic activity of Pt / Ti0 . 3O2 @ C was prepared by sol - gel method . The catalytic capacity of Pt / Ti0 . 7W.3 O2 , Pt / Ti0 . 3O2 @ C catalyst in acid solution was studied .

3 . We studied the influence of N source and Fe source on the catalytic activity of the catalyst .

The results show that N source can promote the formation of active centers , improve the catalytic ability of oxygen reduction , and different N sources have different influence on the catalysts .

4 . The results show that increasing the N doping amount can improve the catalytic activity of the catalyst , and we hope to increase the nitrogen content of the N source to further improve the catalytic reduction ability of the catalyst to oxygen .

According to the literature , a high nitrogen content ( 12 % ) , porous organometallic framework compound ( ZIF - 90 ) is synthesized , which is commonly used in gas separation . The monomer contains two N atoms and two Zn ions .
Through acid treatment , excess Zn was removed to get N - CNTs catalyst , then Fe source was added and heat treatment was carried out to obtain porous Fe - N - CNTs catalyst . By FTIR and XPS , structural characterization was carried out to characterize the oxygen reduction of ZIF - 90 , N - CNTs , Fe - N - CNTs and Pt / C , and the ability of ZIF - 90 , N - CNTs , Fe - N - CNTs to catalyze oxygen reduction and methanol - resistant ability were studied .

【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】