垂直取向石墨烯负载铂—钌纳米催化剂催化甲醇氧化基础研究

发布时间：2017-05-14 12:02

  本文关键词：垂直取向石墨烯负载铂—钌纳米催化剂催化甲醇氧化基础研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于直接甲醇燃料电池(DMFC)无需外部重整制氢,从而在携带、运输和储存方面都极具优势,具有良好的商业发展前景。考虑到甲醇氧化反应(MOR)在常温下反应速率较低的问题,开发高效的阳极反应催化剂一直以来都是问题的关键。Pt-Ru双金属催化剂因其突出的催化性能和良好的抗中毒能力在DMFC的阳极催化剂研究中脱颖而出,Pt-Ru催化剂颗粒的粒径和分布对其催化性能影响巨大。因此,高比表面积的载体材料对于促进催化剂颗粒的分散和提高金属催化剂的利用率至关重要。本论文提出了以垂直取向石墨烯(VG)为基底负载Pt-Ru双金属纳米颗粒构成甲醇氧化的阳极催化剂。通过微波等离子体增强化学气相沉积(MW-PECVD)的方法直接在碳纸(CP)上合成了密集的网状结构垂直取向石墨烯。在标准三电极电化学体系中采用重复双电压脉冲电沉积的方法完成了Pt-Ru纳米金属颗粒的负载。通过改变沉积液中的前体盐浓度,实现了Pt/Ru摩尔比在一定范围内的有效控制。电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的结果表明,同工况下,相较于在CP上直接沉积,Pt-Ru纳米颗粒在VG上的沉积量可增加到3.5倍。扫描电子显微镜(SEM)结果显示,VG上的Pt-Ru纳米颗粒(平均粒径在VG上的约50 nm、在CP上约100 nm)的粒径减小了约一半,分散性也更好。电化学性能研究发现,电解液的摩尔比[H2PtC16]:[RuCl3]=1:1时,沉积物中Pt的摩尔比例为83.4%,催化性能最佳,包括甲醇氧化催化活性、抗中毒能力和稳定性。Tafel曲线测试和循环伏安测试(CV)的结果表明,最佳Pt/Ru摩尔比的Pt-Ru/VG催化剂能够实现更快速的甲醇脱氢氧化,峰值电流密度高达339.2 mA mg-1,远高于同工况下使用商用基底制备的Pt-Ru/CP和Pt-Ru/Vulcan催化剂(分别为116.3和192.8 mA mg-1).同时,最佳Pt-Ru/VG催化剂材料的甲醇氧化催化活性和抗中毒能力均优于Pt-Ru/CP和Pt-Ru/Vulcan。
【关键词】：直接甲醇燃料电池 甲醇氧化 电催化 垂直取向石墨烯 双金属催化剂
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 符号表8-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 前言11-12
• 1.2 直接甲醇燃料电池研究背景12-14
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池的发展概况12-13
• 1.2.2 直接甲醇燃料电池的工作原理13-14
• 1.2.3 直接甲醇燃料电池的应用情况14
• 1.3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究现状14-25
• 1.3.1 直接甲醇燃料电池(DMFC)的主要技术问题14-15
• 1.3.2 影响催化剂电催化性能的因素15-16
• 1.3.3 一元催化剂16
• 1.3.4 二元及多元催化剂16-18
• 1.3.5 负载型催化剂的载体18-21
• 1.3.6 负载型催化的制备方法21-25
• 1.4 本文的研究内容及意义25-27
• 2 实验27-32
• 2.1 实验试剂27
• 2.2 实验设备27-28
• 2.3 电化学制备与测试28-30
• 2.3.1 双脉冲电压电沉积28-29
• 2.3.2 电化学测试29-30
• 2.4 催化剂材料表征方法30-32
• 2.4.1 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)30
• 2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)30
• 2.4.3 透射电子显微镜(TEM)30
• 2.4.4 X-射线衍射(XRD)30
• 2.4.5 X-射线光电子能谱(XPS)30-32
• 3 Pt-Ru/CP和Pt-Ru/VG催化剂材料的制备与表征32-40
• 3.1 前言32
• 3.2 实验部分32-33
• 3.2.1 垂直取向石墨烯的制备32-33
• 3.2.2 电沉积制备Pt-Ru/CP和Pt-Ru/VG催化剂材料33
• 3.3 结果与讨论33-39
• 3.3.1 Pt-Ru催化剂在VG和CP上的沉积量33-35
• 3.3.2 Pt-Ru/CP和Pt-Ru/VG催化剂的SEM图和TEM图35-37
• 3.3.3 Pt-Ru/VG催化剂的XRD测试结果分析37-38
• 3.3.4 Pt-Ru/VG催化剂的XPS测试结果分析38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 Pt-Ru/VG催化剂甲醇氧化催化性能40-50
• 4.1 前言40
• 4.2 实验部分40-41
• 4.3 结果与讨论41-49
• 4.3.1 Pt-Ru/VG催化剂的电催化活性41-45
• 4.3.2 Pt-Ru/VG催化剂的抗中毒能力分析45-47
• 4.3.3 Pt-Ru/VG催化剂的催化稳定性分析47
• 4.3.4 Pt-Ru/VG与Pt/VG催化剂的Tafel性能曲线测试47-49
• 4.4 本章小结49-50
• 5 Pt-Ru/VG催化剂与商用基底的对比研究50-55
• 5.1 前言50
• 5.2 实验部分50-51
• 5.3 结果与讨论51-54
• 5.3.1 Pt-Ru/VG、Pt-Ru/CP和Pt-Ru/Vulcan催化甲醇氧化性能51-52
• 5.3.2 Pt-Ru/VG和Pt-Ru/CP进一步对比研究52-54
• 5.4 本章小结54-55
• 6 总结55-57
• 6.1 结论与展望55-56
• 6.2 本文的创新之处56-57
• 参考文献57-65
• 作者简历65-66

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