水热—碳化制备高活性碳化钨基电催化剂

发布时间：2017-06-14 23:09

  本文关键词：水热—碳化制备高活性碳化钨基电催化剂，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,低温燃料电池作为一种新能源,由于具有环境友好、资源丰富和可再生等优点,在环境污染严重和能源短缺的今天,受到各国的关注。然而,燃料电池催化剂铂(Pt)价格昂贵,且在使用过程中容易被燃料中间产物CO吸附在表面造成中毒失效,限制了燃料电池的发展。碳化钨(WC)由于具有类似Pt的表面电子特性而具有一定的电催化性、优于Pt的抗中毒性、稳定性以及价格低廉等优点,使其有望成为替代Pt或部分替代Pt的燃料电池催化剂。然而WC虽具有一定的催化活性,但单独作为催化剂其活性远远不够。为减少Pt用量,本论文通过研究制备高比面积的WC基载体负载少量Pt,达到制备具有高稳定性、高抗中毒性及高活性的WC基催化剂。主要是通过水热合成特殊的WC前驱体形貌来制备形貌均一、高分散性、高比面积的WC样品,再通过其负载少量Pt,制备高活性WC基催化剂。具体从以下几方面开展研究:(1)研究有机溶剂和CNTs的添加对前驱体产物的物相组成和微观形貌的影响。结果表明:制备过程中添加有机溶剂能有效调控合成颗粒细小、形貌均一的棒状结构前驱体,其颗粒尺寸呈长度50~150 nm,直径10~20 nm.,而CNTs的添加则有效的改善了纳米颗粒的团聚,使制备的样品颗粒分布均匀。这为WC的制备提供了良好的基底。(2)通过将前驱体粉体分别进行600 oC空气气氛脱水和氮气气氛脱水以及采用液态碳源快速碳化,制备了承自前驱体棒状形貌的高分散纳米WC和CNTs/WC样品,颗粒尺寸范围也没有很大改变。所制备的WC和CNTs/WC具有相对较高的比表面积,分别达到15.6 m2/g和32.2 m2/g,对其介孔结构孔径分布分析表明其具有大量介孔结构存在,且分布范围较宽,说明它们具有很好的电催化应用潜能。(3)采用微波辅助乙二醇还原法载Pt制备的WC基催化剂(Pt/WC、高分散Pt/WC和Pt/CNTs/WC),发现负载的Pt颗粒细小,颗粒尺寸范围为5~15 nm,在WC基载体表面分布均匀,且具有很好的结晶性。(4)对制备的WC基催化剂电极在硫酸电解液中测试,结果表明:高分散Pt/WC和Pt/CNTs/WC催化剂都表现出了较优异的电催化活性,这可能归因于制备的WC基催化剂载体具有小尺寸、高分散性以及CNT良好的导电性,大大提高了Pt的脱氢效率,使得高分散Pt/WC和Pt/CNTs/WC催化剂电极的电催化活性比表面积分别达到了404 m2/g和458 m2/g,表明制备的两种催化剂能应用于电催化领域。(5)通过对硫酸甲醇混合电解液测试其作为甲醇燃料电池的甲醇氧化性能,结果表明高分散Pt/WC和Pt/CNTs/WC具有很好的甲醇氧化性能,甲醇氧化峰电流密度分别达到0.20 A/cm2和0.16 A/cm2,以甲醇氧化峰电流密度与其中间体氧化峰电流密度的比值表征的抗中毒性能值分别达到1.45和1.11。WC基催化剂优异的甲醇氧化性能和较强的抗中毒性表明WC与Pt发挥了良好的协调效应,使得WC的抗中毒性能和Pt的催化性能得到了很好体现,说明WC基载体负载Pt催化剂在甲醇燃料电池中具有很好的应用前景。(6)通过线性扫描法采用旋转圆盘测试探讨了制备的三种WC基催化剂的氧还原机理,结果表明高分散Pt/WC的半波电位为0.58(vs.NHE),具有很好的氧化原活性,高分散Pt/WC和Pt/WC/CNTs催化剂氧还原历程都为四电子过程,这项工作有益于提高催化剂的性能从而实现燃料电池性能的提高,加快燃料电池的推广和实用。
【关键词】：碳化钨 水热合成 微波辅助乙二醇还原 电催化活性
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 燃料电池催化剂研究10-12
• 1.2.1 燃料电池简介10-11
• 1.2.2 燃料电池催化剂研究现状11-12
• 1.3 碳化钨基催化剂的制备12-16
• 1.3.1 碳化钨的研究现状12-14
• 1.3.2 纳米WC的制备方法14-16
• 1.4 水热法制备纳米粉体简介16-17
• 1.5 选题意义与研究内容17-19
• 第二章 实验材料和表征方法19-22
• 2.1 实验原料与试剂19
• 2.2 实验常用仪器及设备19-20
• 2.3 催化剂的表征方法20-21
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）分析20
• 2.3.2 电子显微镜分析20
• 2.3.3 氮吸附-脱附等温线的测定20-21
• 2.4 催化剂的电化学性能测试21-22
• 2.4.1 CV测试技术21
• 2.4.2 CA测试技术21
• 2.4.3 旋转环盘电极测试（RRDE）21-22
• 第三章 高分散纳米碳化钨粉体的制备22-36
• 3.1 引言22
• 3.2 前躯体的制备22-27
• 3.2.1 实验过程22-23
• 3.2.2 添加剂对水热制备前躯体的影响23-26
• 3.2.3 反应机理探讨26-27
• 3.3 纳米碳化钨的制备27-34
• 3.3.1 实验过程27-28
• 3.3.2 WC样品的表征28-33
• 3.3.3 反应机理探讨33-34
• 3.4 本章小节34-36
• 第四章 PT/WC、PT/WC/CNT催化剂的制备及其性能分析36-51
• 4.1 引言36
• 4.2 载PT催化剂的制备36-40
• 4.2.1 实验过程36-37
• 4.2.2 载Pt催化剂物相及形貌分析37-40
• 4.3 载PT催化剂的电化学性能测试40-49
• 4.3.1 催化剂电极制备40
• 4.3.2 催化剂的电化学性能表征40-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 全文总结51-53
• 参考文献53-58
• 致谢58-59
• 攻读学位期间研究成果59-60

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本文编号：450794