直接乙醇燃料电池钯基催化剂的制备及其性能研究
发布时间：2021-08-31 18:46
能源紧缺、环境恶化是当今世界面临的主要问题。发展清洁、可再生的能源成为人类迫切需要解决的问题。直接乙醇燃料电池可将化学能转换为电能且排放少量的,主要应用于电子便携式设备、便携式辅助充电器和运输工具。直接乙醇燃料电池吸引了越来越多的关注,主要是由于其燃料能量密度高、便于储存和运输、可再生性。尽管,直接乙醇燃料电池具有较大的商业化潜力,但其动力学反应缓慢,严重阻碍了乙醇燃料电池的发展。所以,乙醇燃料电池的发展面临巨大的挑战,要想提高乙醇燃料电池在碱性介质中的催化氧化反应,关键在于发展高活性、高稳定性、经济廉价的乙醇燃料电池阳极催化剂。目前,乙醇燃料电池的阳极催化剂主要以Pt基或Pd基催化剂为主。然而,低活性、弱耐久性、低选择性和较高的材料制备成本限制了Pt基或Pd基催化剂的发展。为了解决以上问题,开发并实施了一些改进策略,合成多组分或纳米组分的复合催化剂。让Pt或Pd与过渡金属进行合金化,主要通过调节电子结构和优化催化剂表面吸附能来改善催化剂的催化性能;通过让Pt或Pd与过渡金属氧化物或氢氧化物混合,构建协同催化剂来提高催化剂的催化活性。研究发现,两种策略都能有效地提高催化剂的催化活性和稳...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
直接乙醇燃料电池示意图
第一章绪论11高C-C键的裂解，显著促进了乙醇的催化氧化反应，为三元Pt基催化剂的设计提供思路[90-94]。Pt与过渡金属氧化物或氢氧化物混合的复合催化剂。Pt与过渡金属氧化物或氢氧化物混合是制备催化剂的另一策略，引入过渡金属氧化物或氢氧化物，不仅可以促进水的裂解，为催化反应提供羟基，还能够提高催化剂的催化活性。Li等[95]制备了多孔的纳米结构催化剂Pt-NiOx，促进了乙醇的催化氧化反应。研究发现，引入了SnO2，能够提高催化剂的催化性能，与Pt/C相比，具有较高的催化活性和较强的抗CO中毒能力，具有重要意义[96-98]。如图1-2乙醇在Pt电极上催化氧化的反应机理。实线代表低电解质pH下的机理，虚线代表高电解质pH下的机理。[99]Figure1-2Proposedreactionmechanismforelectro-oxidationofethanolonPtelectrodes.SolidlineshowsthemechanismatlowelectrolytepH,whiledashedlineshowsthemechanismathighelectrolytepH.[99]1.3.3.2Pd基催化剂Pd基催化剂是乙醇燃料电池研究较多的一类催化剂，多用于碱性乙醇燃料电池中。在碱性介质中，乙醇在Pd电极界面上的反应途径如图1-3。目前，Pd基催化剂主要分
华南理工大学博士论文12为三类，即碳材料为载体的Pd基催化剂、Pd基二元三元合金化催化剂和Pd与过渡金属氧化物或氢氧化物混合的复合催化剂。图1-3碱性介质中Pd电极界面上C2H5OH的反应途径。[100]Figure1-3ReactionpathwaysforinterfacialC2H5OHatPdelectrodesinalkalinemedia.[100]以碳材料为载体的Pd基催化剂。一种合适的载体材料，需满足以下特征，高比表面积、良好的导电导热性、合适的孔隙度以确保燃料电池反应中反应物的流动。研究发现，炭黑（CarbonBlack，CB）能够满足这些特征，且其简单易得、成本较低、容易被活化。但是，它也存在自身的缺点，如炭黑在酸性环境中或者在高温下（>90°C）容易被腐蚀。碳纳米管（CarbonNanotubes，CNTs）是另外一种乙醇燃料电池催化剂的载体材料，碳纳米管具有较高的导电性、较大的比表面积和多孔结构，有利于金属的分散和反应物的流动，使催化剂具有较高的催化活性[101-104]。随着石墨化程度的增加，位点的数量会增加，位点可作为金属纳米颗粒的活性中心，因此，促进了载体和金属间的相互作用，也使载体的抗氧化性大大提高。多壁碳纳米管（Multi-wallCarbonNanotubes,MWCNTs）和它的功能化衍生物也是一种载体材料，被广泛的应用于燃料电池催化剂的制备。Rajesh等[105]用氢氟酸处理的多壁碳纳米管为载体材料，制备了Pd基催化剂，研究表明，此催化剂具有较好的催化性能。催化剂催化性能的提高主要是由于多壁碳纳米管具有大量的微孔结构，不仅可以很好地锚定Pd纳米颗粒，而且能够
【参考文献】：
期刊论文
[1]Platinum nanoparticles coated by graphene layers: A low-metal loading catalyst for methanol oxidation in alkaline media[J]. Camelia Berghian-Grosan,Teodora Radu,Alexandru R.Biris,Monica Dan,Cezara Voica,Fumiya Watanabe,Alexandru S.Biris,Adriana Vulcu. Journal of Energy Chemistry. 2020(01)
[2]One step NaBH4 reduction of Pt-Ru-Ni catalysts on different types of carbon supports for direct ethanol fuel cells : Synthe sis and characte rization[J]. Napha Sudachom,Chompunuch Warakulwit,Chaiwat Prapainainar,Thongthai Witoon,Paweena Prapainainar. 燃料化学学报. 2017(05)
本文编号：3375421
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
直接乙醇燃料电池示意图
第一章绪论11高C-C键的裂解，显著促进了乙醇的催化氧化反应，为三元Pt基催化剂的设计提供思路[90-94]。Pt与过渡金属氧化物或氢氧化物混合的复合催化剂。Pt与过渡金属氧化物或氢氧化物混合是制备催化剂的另一策略，引入过渡金属氧化物或氢氧化物，不仅可以促进水的裂解，为催化反应提供羟基，还能够提高催化剂的催化活性。Li等[95]制备了多孔的纳米结构催化剂Pt-NiOx，促进了乙醇的催化氧化反应。研究发现，引入了SnO2，能够提高催化剂的催化性能，与Pt/C相比，具有较高的催化活性和较强的抗CO中毒能力，具有重要意义[96-98]。如图1-2乙醇在Pt电极上催化氧化的反应机理。实线代表低电解质pH下的机理，虚线代表高电解质pH下的机理。[99]Figure1-2Proposedreactionmechanismforelectro-oxidationofethanolonPtelectrodes.SolidlineshowsthemechanismatlowelectrolytepH,whiledashedlineshowsthemechanismathighelectrolytepH.[99]1.3.3.2Pd基催化剂Pd基催化剂是乙醇燃料电池研究较多的一类催化剂，多用于碱性乙醇燃料电池中。在碱性介质中，乙醇在Pd电极界面上的反应途径如图1-3。目前，Pd基催化剂主要分
华南理工大学博士论文12为三类，即碳材料为载体的Pd基催化剂、Pd基二元三元合金化催化剂和Pd与过渡金属氧化物或氢氧化物混合的复合催化剂。图1-3碱性介质中Pd电极界面上C2H5OH的反应途径。[100]Figure1-3ReactionpathwaysforinterfacialC2H5OHatPdelectrodesinalkalinemedia.[100]以碳材料为载体的Pd基催化剂。一种合适的载体材料，需满足以下特征，高比表面积、良好的导电导热性、合适的孔隙度以确保燃料电池反应中反应物的流动。研究发现，炭黑（CarbonBlack，CB）能够满足这些特征，且其简单易得、成本较低、容易被活化。但是，它也存在自身的缺点，如炭黑在酸性环境中或者在高温下（>90°C）容易被腐蚀。碳纳米管（CarbonNanotubes，CNTs）是另外一种乙醇燃料电池催化剂的载体材料，碳纳米管具有较高的导电性、较大的比表面积和多孔结构，有利于金属的分散和反应物的流动，使催化剂具有较高的催化活性[101-104]。随着石墨化程度的增加，位点的数量会增加，位点可作为金属纳米颗粒的活性中心，因此，促进了载体和金属间的相互作用，也使载体的抗氧化性大大提高。多壁碳纳米管（Multi-wallCarbonNanotubes,MWCNTs）和它的功能化衍生物也是一种载体材料，被广泛的应用于燃料电池催化剂的制备。Rajesh等[105]用氢氟酸处理的多壁碳纳米管为载体材料，制备了Pd基催化剂，研究表明，此催化剂具有较好的催化性能。催化剂催化性能的提高主要是由于多壁碳纳米管具有大量的微孔结构，不仅可以很好地锚定Pd纳米颗粒，而且能够
【参考文献】：
期刊论文
[1]Platinum nanoparticles coated by graphene layers: A low-metal loading catalyst for methanol oxidation in alkaline media[J]. Camelia Berghian-Grosan,Teodora Radu,Alexandru R.Biris,Monica Dan,Cezara Voica,Fumiya Watanabe,Alexandru S.Biris,Adriana Vulcu. Journal of Energy Chemistry. 2020(01)
[2]One step NaBH4 reduction of Pt-Ru-Ni catalysts on different types of carbon supports for direct ethanol fuel cells : Synthe sis and characte rization[J]. Napha Sudachom,Chompunuch Warakulwit,Chaiwat Prapainainar,Thongthai Witoon,Paweena Prapainainar. 燃料化学学报. 2017(05)
本文编号：3375421
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