新型稀土-钯基催化剂对甲醇/甲酸电氧化的催化性能研究
发布时间：2021-09-30 08:32
直接甲醇燃料电池（DMFC）由于其能量密度高、排放低、燃料来源广泛等特点受到了广泛关注,有望成为能用于便携式电子设备和汽车的高效清洁新能源。然而,阳极催化剂对甲醇电氧化的低催化活性,易被CO等中间产物毒化导致的不稳定性,贵金属铂（Pt）基催化剂的高成本以及甲醇穿梭导致的混合电位等问题,都极大地阻碍了 DMFC的商业化发展。另外,直接甲酸燃料电池（DFAFC）也有着与DMFC相似的优点和缺点。本文从催化剂各组分的协同作用入手,通过一种简单的共还原法制备了钯（Pd）-稀土元素催化剂,并分别以炭黑、活化后的多壁碳纳米管（aMWCNTs）、表面修饰的多壁碳纳米管和Ti407作为载体。借助X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）对所制备的催化剂的结构、形貌进行表征,并通过X射线光电子能谱（XPS）研究了催化剂表面元素的价态变化。通过循环伏安法（CV）、线性扫描法（LSV）、CO Stripping溶出法和计时电流法（CA）等测试技术对催化剂的对甲醇和甲酸电氧化的催化性能进行了深入的研究。（1）首先,采用NaBH4还原的方法制备了不同原子比的Pd-Er/C催化剂。XRD和TEM的结果表明Pd...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＤＭＦＣ示意图??
?新型稀土－钯基催化剂对甲醇／甲酸电氧化的催化性能研究???］．４直接甲酸燃料电池（ＤＦＡＦＣ）??１．４．］?ＤＦＡＦＣ?概述??ＤＦＡＦＣ是将甲酸中化学能转化为电能的装置。由于甲酸的能量密度高、低??毒性、清洁环保、储存与运输方便、来源广泛等众多优点，因此其是ＰＥＭＦＣ的??一个重要分支。??与ＤＭＦＣ类似，ＤＦＡＦＣ主要由阳极、阴极、电解膜等组成。甲酸在阳极被??氧化并失去电子，阴极处发生氧气与质子结合生成水的反应，并消耗阳极转移过??来的电子，形成一个回路，实现化学能转化为电能的过程。如图１．２所示［４７］。??Ｌｅｘａｎ?ｐｌａｔｅ?ｅｍｂｅｄｄｅｄ?Ｆｕ＊ｉ?ｄｍｕ？ｉ〇ｎ?ｗ?＿??ｗｉｔｈ?Ｓ?ｇｒａｐｈｓ?ｒｏｄｓ?Ｔ?ｒ?＂ｊＶ??闕Ｊ】??隱?＾ＷＯＯＨＷ?知丨?〇＊）??Ｆｌｏｗ?ａｒｅａ??图１．２?ＤＦＡＦＣ示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＤＦＡＦＣ??整个电池的反应方程式如下：??阳极反应：ＨＣＯＯＨ?—Ｃ〇２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ－?（ｐ，°＝－０．２５Ｖ?（１－１２）??阴极反应：］／２０２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ－—Ｈ２Ｏ?９２°＝?１?－２３?Ｖ?（１－１３）??电池总反应：ＨＣ００Ｈ?＋?１／２０２４Ｃ０２?＋?Ｆｂ０?Ｅ〇＝（ｐ２０－ｃｐｉ０＝１．４８Ｖ?（１－１４）??１．４．２?ＤＦＡＦＣ反应机理??一般认为Ｐｔ催化甲酸氧化的反应是通过双通道路径进行的１４８］。??直接路径：Ｐｔ?＋?ＨＣＯＯＨ?—Ｐｔ?＋?Ｃ０２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ．?（１－１５）??１４??
电氧化的催化性能研宄???３．２?Ｐｄ－Ｅｒ催化剂的表征与分析??３．２．１?ＸＲＤ?分析??、?Ｊ?Ｐｄ－ＩＯＥｒ／Ｃ??Ｉ?、????Ｖ?????ｉ?、￣八＾ｐ，ｃ?＿??１?????Ｊｋ＾＼?ＰｃＭＥｆ／Ｃ??ａ?、???一????Ｊ?｜Ｖ＿＾?Ｐｄ－２?Ｅｒ／Ｃ??■?，Ｖ?Ｐｄ／Ｃ??．?ｉ?．?ｉ?．?Ｉ?．?？?．?ｉ??１０?２０?３０?４０?５０?６０?７０?８０?９０??２０?／?ｄｅｇｒｅｅ??图３．１?Ｐｄ－Ｅｒ／Ｃ类催化剂的ＸＲＤ谱图??Ｆｉｇｕｒｅ?３．１?ＸＲＤ?ｐａｔｔｅｒｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｐｄ－Ｅｒ／Ｃ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ??制备的Ｐｄ－Ｅｒ／Ｃ催化剂的ＸＲＤ谱图如图３．１所示。从图中可以看出，所有??的催化剂材料中均出现了一个约２５°的衍射峰，正对应于载体材料炭黑中的??Ｃ（００２）晶面。然后在４０°，?４６°，?６８°和８１°附近分别出现了四个衍射峰，是典型的??Ｐｄ晶体的特征衍射峰，四个峰分别对应于Ｐｄ（ｌｌｌ），?Ｐｄ（２００），?Ｐｄ（２２０）和Ｐｄ（３１１）四??个晶面，说明了催化剂中Ｐｄ的原子排列是面心立方（ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄｃｕｂｅ，ｆｃｃ）结??构。在图中没有出现Ｅｒ的特征衍射峰，但是相较于Ｐｄ／Ｃ催化剂，其他添加了?Ｅｒ??的催化剂在４０。左右的主衍射峰均向左发生了一些微小的偏移，并且随着Ｅｉ■含??量的增加，该偏移量先是呈递增趋势，而后却逐渐减少。可能的原因是当添加的??Ｅｒ的量比较少时，Ｅｒ与Ｐｄ形成了固溶体，导致了峰的偏移，当Ｅｉ？含量继续增??加时，Ｐｄ－Ｅｒ固溶体可能逐渐向ＰｃｂＥｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用[J]. 王瑞敏,张颖颖. 上海汽车. 2010(11)
[2]燃料电池研究进展及发展探析[J]. 刘洁,王菊香,邢志娜,李伟. 节能技术. 2010(04)
[3]国内外直接甲醇燃料电池研究进展[J]. 黄红良,隋静,陈红雨,李伟善. 电池工业. 2004(06)
[4]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
本文编号：3415496
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)北京市
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＤＭＦＣ示意图??
?新型稀土－钯基催化剂对甲醇／甲酸电氧化的催化性能研究???］．４直接甲酸燃料电池（ＤＦＡＦＣ）??１．４．］?ＤＦＡＦＣ?概述??ＤＦＡＦＣ是将甲酸中化学能转化为电能的装置。由于甲酸的能量密度高、低??毒性、清洁环保、储存与运输方便、来源广泛等众多优点，因此其是ＰＥＭＦＣ的??一个重要分支。??与ＤＭＦＣ类似，ＤＦＡＦＣ主要由阳极、阴极、电解膜等组成。甲酸在阳极被??氧化并失去电子，阴极处发生氧气与质子结合生成水的反应，并消耗阳极转移过??来的电子，形成一个回路，实现化学能转化为电能的过程。如图１．２所示［４７］。??Ｌｅｘａｎ?ｐｌａｔｅ?ｅｍｂｅｄｄｅｄ?Ｆｕ＊ｉ?ｄｍｕ？ｉ〇ｎ?ｗ?＿??ｗｉｔｈ?Ｓ?ｇｒａｐｈｓ?ｒｏｄｓ?Ｔ?ｒ?＂ｊＶ??闕Ｊ】??隱?＾ＷＯＯＨＷ?知丨?〇＊）??Ｆｌｏｗ?ａｒｅａ??图１．２?ＤＦＡＦＣ示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＤＦＡＦＣ??整个电池的反应方程式如下：??阳极反应：ＨＣＯＯＨ?—Ｃ〇２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ－?（ｐ，°＝－０．２５Ｖ?（１－１２）??阴极反应：］／２０２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ－—Ｈ２Ｏ?９２°＝?１?－２３?Ｖ?（１－１３）??电池总反应：ＨＣ００Ｈ?＋?１／２０２４Ｃ０２?＋?Ｆｂ０?Ｅ〇＝（ｐ２０－ｃｐｉ０＝１．４８Ｖ?（１－１４）??１．４．２?ＤＦＡＦＣ反应机理??一般认为Ｐｔ催化甲酸氧化的反应是通过双通道路径进行的１４８］。??直接路径：Ｐｔ?＋?ＨＣＯＯＨ?—Ｐｔ?＋?Ｃ０２?＋?２Ｈ＋?＋?２ｅ．?（１－１５）??１４??
电氧化的催化性能研宄???３．２?Ｐｄ－Ｅｒ催化剂的表征与分析??３．２．１?ＸＲＤ?分析??、?Ｊ?Ｐｄ－ＩＯＥｒ／Ｃ??Ｉ?、????Ｖ?????ｉ?、￣八＾ｐ，ｃ?＿??１?????Ｊｋ＾＼?ＰｃＭＥｆ／Ｃ??ａ?、???一????Ｊ?｜Ｖ＿＾?Ｐｄ－２?Ｅｒ／Ｃ??■?，Ｖ?Ｐｄ／Ｃ??．?ｉ?．?ｉ?．?Ｉ?．?？?．?ｉ??１０?２０?３０?４０?５０?６０?７０?８０?９０??２０?／?ｄｅｇｒｅｅ??图３．１?Ｐｄ－Ｅｒ／Ｃ类催化剂的ＸＲＤ谱图??Ｆｉｇｕｒｅ?３．１?ＸＲＤ?ｐａｔｔｅｒｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｐｄ－Ｅｒ／Ｃ?ｃａｔａｌｙｓｔｓ??制备的Ｐｄ－Ｅｒ／Ｃ催化剂的ＸＲＤ谱图如图３．１所示。从图中可以看出，所有??的催化剂材料中均出现了一个约２５°的衍射峰，正对应于载体材料炭黑中的??Ｃ（００２）晶面。然后在４０°，?４６°，?６８°和８１°附近分别出现了四个衍射峰，是典型的??Ｐｄ晶体的特征衍射峰，四个峰分别对应于Ｐｄ（ｌｌｌ），?Ｐｄ（２００），?Ｐｄ（２２０）和Ｐｄ（３１１）四??个晶面，说明了催化剂中Ｐｄ的原子排列是面心立方（ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄｃｕｂｅ，ｆｃｃ）结??构。在图中没有出现Ｅｒ的特征衍射峰，但是相较于Ｐｄ／Ｃ催化剂，其他添加了?Ｅｒ??的催化剂在４０。左右的主衍射峰均向左发生了一些微小的偏移，并且随着Ｅｉ■含??量的增加，该偏移量先是呈递增趋势，而后却逐渐减少。可能的原因是当添加的??Ｅｒ的量比较少时，Ｅｒ与Ｐｄ形成了固溶体，导致了峰的偏移，当Ｅｉ？含量继续增??加时，Ｐｄ－Ｅｒ固溶体可能逐渐向ＰｃｂＥｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用[J]. 王瑞敏,张颖颖. 上海汽车. 2010(11)
[2]燃料电池研究进展及发展探析[J]. 刘洁,王菊香,邢志娜,李伟. 节能技术. 2010(04)
[3]国内外直接甲醇燃料电池研究进展[J]. 黄红良,隋静,陈红雨,李伟善. 电池工业. 2004(06)
[4]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
本文编号：3415496
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