中空半球碳载PTSN催化剂的合成及其电催化性能研究

发布时间：2020-10-23 09:58

　　 长期使用石油等化石燃料已经造成了严重的环境污染,开发清洁、可持续的能源系统成为了许多学者关注的热点。乙醇、甲醇、乙二醇、甘油等一些含有氢元素的有机小分子因具有能量密度高、成本低、储存方便等优点,可以成为石油燃料的替代品。在这些小分子中,乙醇具有能量密度高(8.0 kWh·g-1)、无污染、可再生等特点,是一种很有前途的石油替代品。乙醇燃料电池通过乙醇氧化反应来提供能量,而乙醇在氧化过程中会产生乙酸、一氧化碳、乙醛等中间活性物质,使得EOR反应动力学过程非常缓慢,所以EOR的催化剂需要较强的催化性能使乙醇分子中C-C键断裂。中空半球碳(hollow carbon hemispheres)因具有独特开放的三维通道、大量的微孔和中孔、较高的电化学活性表面积等特点,是一种常被用作催化剂载体的碳材料。此外,氮掺杂的碳材料常常表现出优异的电催化活性,因为掺杂富含电子的氮可以改变碳材料的表面结构、提供更多金属粒子沉积的活性位点。本文是以正硅酸乙酯(TEOS)、沥青为原料成功合成了一种具有独特三维结构的中空半球碳,然后将其用作铂锡金属催化剂的载体。此外,我们在原有的中空半球碳的制备基础上进行氮掺杂,通过氮源的加入量控制氮的掺杂量,从而实现对金属纳米粒子的大小及分布进行微观调控。在酸性介质中研究所有合成的催化剂对乙醇氧化的催化活性,结果表明当中空半球碳作为催化剂载体时,催化剂PtSn/HCH的催化活性明显高于碳黑作为载体的催化剂PtSn/C的催化活性,在相同的测试条件下,PtSn/HCH的峰值电流比PtSn/C大100mA·mgPt-1,其稳态电流密度大约是PtSn/C的3倍;当在中空半球碳载体合成过程中加入氮源量为碳源量的一半时,氮的掺杂量达到最大,其负载PtSn后的PtSn/HCH-N0.5催化剂具有很强的催化活性,在1M乙醇溶液中,其峰值电流为430 mA·mgPt-1、稳态电流为77 mA·mgPt-1,分别是PtSn/C催化剂的3倍、20倍。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.36;TM911.4
【部分图文】：

燃料电池是由正负两个电极和电解质膜组成，电解质膜的作用是将两个电极分开??并允许离子通过的隔膜；ＤＥＦＣ的结构还包括导入空气和乙醇的外装系统，其原??理如图１－１所示。??ｅ－?Ｑ??Ｉ?￣１??Ｃ＾ＯＨ?Ｉ?￣ｎ￣?Ｉ?〇；??—Ｉ?丨一??＜——?——＞?—??￣ＣＯ；?｜?ｌｌｌｌ?ｈ２ｏ?■－??酿电解成膜阴极??图１－１乙醇燃料电池原理图??Ｆｉｇ．?１－１．?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅｔｈａｎｏｌ?ｆｕｅｌ?ｃｅｌｌ．??乙醇燃料电池的正负两极本身不含活性物质，它只作为一个催化转换的元??件。燃料电池正式工作时，两电极的作用是催化与传输电子，乙醇和氧化剂由外??部供给，电池的阳极和阴极上分别发生电催化氧化和还原反应ｐ（）］。原则上只要乙??醇不断的输入，（：〇２和出〇不断的排除，乙醇燃料电池就可以连续地发电。在??酸性电介质中，氧气发生还原反应生成水，产物主要是Ｃ〇２、电子、质子；在碱??性介质中，氧气与水反应还原生成氢氧根离子，生成ｃｏ３＼?Ｈ２０、电子［３｜］。反应??式如下：??４??

天津工业大学硕士学位论文???２所示。研宄表明他们所合成的ＰｄＡｇ纳米粒子分布均匀，在ＫＯＨ碱性条件下，??甲醇和乙醇都有很强的电催化性能和稳定性，最大电流密度分别达６３０、丨６０１??Ａ?ｎｉｇｐ／１；反应２０００ｓ后的稳态电流分别达１５０、４００?ｍＡ’ｍｇｐ，。??

在研宄的热点之一。??Ｍａｉｙａｌａｇａｎ１’４】等利用硼氧化钠为还原剂制备／Ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ?（ＣＮＦ）负??载钯镍纳米颗粒的催化剂，如图１－４所示。该实验将Ｐｄ、Ｎｉ颗粒均匀分散在纳??米碳纤维的表面，金属粒子的平均粒径为４ｎｍ。对乙醇氧化的电催化活性进行了??测定，与Ｐｄ／Ｃ相比，Ｐｄ－Ｎｉ／ＣＮＦ起始电位降低了?２００ｍＶ，峰值电流密度比Ｐｄ／Ｃ??的高出四倍。这说明碳纤维也是一种很好的催化剂载体材料。??ｉＨｉ??Ｔ＇；?＿?．；．／■Ｖｉ＇；?Ａ?：＇７＾??图１－４?（ａ）?Ｐｄ／Ｃ，?（ｂ）?Ｐｄ－Ｎｉ／ＣＮＦ的扫描电子显微镜图??Ｆｉｇ．?１－４．?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?（ａ）?Ｐｄ／Ｃ，?（ｂ）?Ｐｄ－Ｎｉ／ＣＮＦ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ??１０??
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本文编号：2852884