低温燃料电池石墨烯基低铂催化剂的制备及性能研究

发布时间：2018-01-12 06:10

本文关键词：低温燃料电池石墨烯基低铂催化剂的制备及性能研究　出处：《郑州轻工业学院》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：目前传统能源的减少以及其使用过程中对环境的危害让人类开始反思,可循环使用的清洁能源越来越受到重视。燃料电池是一种可以直接把储存在燃料中的化学能高效、无污染地转换为电能的发电装置,其使用可有效解决环境污染和能源危机问题。其中低温燃料电池具有能量转换效率高、工作温度低、安全及环境友好等特点,在移动电源、动力电池以及日常生活电源等领域具有巨大的发展潜力。催化剂对于燃料电池非常重要。研究发现Pt由于它特殊的电子结构最适合作为低温燃料电池催化剂的活性组分,但是Pt作为催化剂也存在以下缺点:Pt在世界上的储量较少以及商业价格过高导致催化剂成本较高;Pt易被醇类催化氧化反应过程中产生的CO副产物毒化,极大的降低催化剂活性。另外载体对于催化剂性能的优劣具有重要的影响。石墨烯以其特殊的单层碳原子二维结构的特性,具有较高的电子转移速率和较大的比表面积,适合作为催化剂载体。但是石墨烯片层之间由于范德华力作用很容易发生堆积,降低催化剂性能。以上问题严重阻碍了低温燃料电池的发展和商业化。本文以提高催化剂效率、降低Pt载量和提高催化剂性能为目标,制备了一系列以石墨烯为载体的Pt基催化剂,并研究了这些催化剂在低温燃料电池阳极中的催化性能。首先,为解决石墨烯层间堆积问题,将Vulcan XC-72碳嵌入到石墨烯片层之间,制备出Pt/Gr-C催化剂。研究发现平均粒径约2 nm的Pt粒子高度分散在石墨烯表面,经过碳掺杂以后石墨烯片层更加蓬松,而且掺杂碳后石墨烯的缺陷更多,混乱度更强,表明增大了石墨烯的比表面积,从而可提高催化剂活性。Pt/Gr-C对甲醇氧化的电催化活性达0.3 A mg_(Pt)~(-1),分别是Pt/Gr(0.22 A mg_(Pt)~(-1))和Pt/C(0.18 A mg_(Pt)~(-1))的1.4倍和1.7倍。其次,为了提高Pt催化剂对CO的抗中毒能力,采用一步还原法制备还原氧化石墨烯负载PtCo合金催化剂(PtCo/RGO)。研究发现Co的加入改变了Pt的电子结构,消弱了Pt与CO之间的相互作用,从而提高了抗中毒能力。PtCo纳米粒子的平均粒径约为2.4 nm,高度分散在石墨烯表面。PtCo/RGO对甲醇氧化的电催化活性达到0.68 A mg_(Pt)~(-1),分别是Pt/RGO和Pt/C催化剂的1.5倍和2.1倍。此外PtCo/RGO的If/Ib的比值为1.3,大于Pt/RGO(1.2)和Pt/C(0.7),表明PtCo/RGO对CO有较高的抗中毒能力。最后,为了进一步降低Pt载量和提高Pt利用率,制备出石墨烯负载PtCo纳米空心球(H-PtCo/Gr),并研究了其对甲醇的电催化氧化性能。首先以硼氢化钠为还原剂制备出粒径大小均匀、平均粒径约20 nm的Co纳米颗粒,然后加入Pt2+进行置换,最后加入氧化石墨,还原后得到H-PtCo/Gr。H-PtCo/Gr对甲醇氧化的单位质量Pt的活性达到0.96 A mg_(Pt)~(-1),分别是Pt/C和Pt/Gr的2.4倍和2倍,表明其对甲醇氧化较高的催化性能。此外,H-PtCo/Gr对甲醇氧化循环伏安图的正向峰电流密度(If)和反向峰电流密度(Ib)的比值为1.28,高于Pt/C(0.82)和Pt/Gr(1.04)。
[Abstract]:A series of Pt - based catalysts with high energy conversion efficiency , low working temperature , safety and environmental friendliness have been studied . In addition , the ratio of H - PtCo / Gr to the positive peak current density ( If ) and the reverse peak current density ( Ib ) of the methanol oxidation cycle voltammogram is 1.28 , which is higher than that of Pt / C ( 0.82 ) and Pt / Gr ( 1.04 ) .

【学位授予单位】：郑州轻工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】