Pd基纳米多孔复合催化材料及其醇类电催化性能研究

发布时间：2020-09-23 11:21

　　 直接醇类燃料电池(DAFC)作为一种新型电池设备,具有低温操作、能量转换效率高和低排放等优点,被广泛应用于多用途便携式移动设备和各种小型电子设备上。目前,Pt基催化剂是最常用的阳极催化剂,但高成本和较差的长期稳定性大大限制了该技术的广泛应用。因此制备非Pt基催化剂是当下燃料电池领域的研究热点。Pd作为与Pt化学性质最相近的元素,不仅储量较Pt更为丰富,并且催化剂抗毒性更强。因此Pd基催化剂是一种很有发展前景的阳极催化剂。将过渡金属氧化物CuO、TiO_2、NiO与贵金属Pd进行复合,通过协同作用可以促进催化剂表面含氧基团的生成,从而降低中间产物氧化所需的电位,提高催化剂抗CO毒化等中间产物的能力。通过引入其他合金元素Ni、Sn,由于与Pd之间产生的电子效应,Pd的电子态可以被修饰,促进了低电位下含氧基团的吸附,进而可以表现出优异的电催化活性以及稳定性。将这些材料与贵金属Pd进行复合,有望得到性能较好的燃料电池催化剂。本文在HCl条件下进行化学脱合金得到了np-CuO/TiO_2/Pd-NiO复合催化剂,并采用SEM、XRD、XPS、TEM等检测手段对样品的微观形貌和成分进行了表征,通过CV、CA、EIS等电化学手段对样品在碱性条件下对甲醇和乙醇电催化性能进行了检测。成分分析结果表明,制备的np-CuO/TiO_2/Pd-NiO多孔结构主要由CuO、Cu_2O、Pd、TiO_2、Ni和NiO相组成;电化学测试结果显示,反应条件为0.75 M HCl、温度90°C、时间5 h情况下制备的np-CuO/TiO_2/Pd-NiO具有最佳的甲醇和乙醇电催化性能和长期稳定性,氧化电流密度分别达到了8.32 mA cm~(-2)和2.61 mA cm~(-2)。此外,在NaOH条件下进行化学脱合金得到了np-Pd-Sn和np-Pd_5/Sn_(10)-CuO复合催化剂,由于Sn和Pd之间的电子效应和双官能团作用,np-Pd_5-Sn_(10)的氧化电流密度达到8.70 mA cm~(-2)。当在np-Pd-Sn催化剂中引入了Cu元素后,由于CuO的进一步协同促进作用,电催化剂的长期稳定性得到了很大的提高,3000 s的CA测试后,电流密度保持在0.63 mA cm~(-2)。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4;TQ426
【部分图文】：

图 1-1 直接甲醇燃料电池（DMFCs）原理图[3]Fig. 1-1 The working principle of DMFCs.碱性和酸性环境下，直接甲醇燃料电池的阴阳极的化学反应具体的化学反应方程式如下：件：2CH3OH+16OH-+12e →2CO32-+12H2O 3O2+12e +6H2O→12OH-式：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O 件：2CH3OH+12e +2H2O→12H++2CO23O2+12e +12H+→6H2O 式：2CH3OH+3O2=4 H2O+2 CO2

图 1-2 燃料电池应用领域Fig. 1-2 The applications of fuel cell.燃料电池技术虽然已经取得了很大的发展，但是在民用领域的应用并未达到商业化水平，成本和寿命等问题还一直限制着其发展。在未来的发展路线中，降低成本、延长寿命是发展的一个大方向，需要从燃料电池的材料、部件和系统三个方向改进创新。现今，燃料电池阳极催化剂材料常用的 Pt 基催化剂成本高、抗毒性差，极大地制约着燃料电池的进一步发展，为了解决这一问题，科学工作者将研究方向转向了非 Pt 基催化剂的研究。燃料电池的电解质膜部件的优劣严重影响着催化剂利用率的高低，进一步优化有利于提高燃料电池的性能，减小催化剂的用量，进而降低成本，延长使用寿命。经相关研究表明，在车用燃料电池领域，系统稳定性差会导致电池寿命衰减[9,10]，为了缓解这一问题，需要采用额外的储能装置，例如二次电池、超级电容器等于燃料电池组成电-电混合动力系统，进而保证系统的稳定性。

天津大学硕士学位论文载体有利于催化剂颗粒的分散、提高酸碱性环境中的稳定性、有利于贵金属的回收利用[30]。活性碳会吸引含氧基团，从而和催化剂产生配位作用，减少活性粒子在载体上的团聚与迁移，由此增加催化剂的分散度，此外，两者之间的配位作用会影响活性粒子，例如 Pt 的表面电子状态，进而减少活性成分的用量，达到降低催化剂成本、提高性能的目的。

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本文编号：2825260