氮摻雜碳材料負(fù)載Pd基電催化劑的合成及其醇氧化性能研究.pdf

1、燃料電池是一種適應(yīng)未來能源和環(huán)境要求的理想電源，目前已經(jīng)在交通工具、手機(jī)電源等行業(yè)示范性應(yīng)用，并受到了越來越廣泛的關(guān)注。然而新型燃料電池催化劑鉑的昂貴價(jià)格是制約其產(chǎn)業(yè)化的主要障礙之一，因此，探討如何降低催化劑的成本、提高催化劑的活性是該領(lǐng)域目前的研究熱點(diǎn)。這就需要從以下兩方面入手:第一，對催化劑金屬進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)上的優(yōu)化，提高其催化活性。第二，構(gòu)筑高性能的催化劑載體，它不僅直接影響催化劑的粒徑、分散度、活性及穩(wěn)定性，而且影響催化

2、層的導(dǎo)電性、傳質(zhì)及電化學(xué)比表面積等。本論文旨在以開發(fā)利用氮摻雜碳材料載體入手，著重研究載體的表面結(jié)構(gòu)，以便改善載體表面化學(xué)惰性，并且設(shè)計(jì)合成不同微觀結(jié)構(gòu)的Pd基納米晶，使其均勻地負(fù)載在載體表面，以提高催化劑的催化活性和利用率，為提高直接醇類燃料電池陽極催化劑的性能提供理論依據(jù)。
　　本文分別合成了氮摻雜碳納米管、氮摻雜石墨烯、鈷氮共摻雜碳的空殼結(jié)構(gòu)三類系列變化的氮摻雜碳材料，并以其為主要載體，在其表面設(shè)計(jì)合成不同微觀結(jié)構(gòu)的Pd基納

3、米晶，分別研究了不同載體對鈀納米晶的形貌、粒徑以及電催化性能的影響，并探討了其影響規(guī)律。本論文的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面:
　　一、概述了燃料電池的研究現(xiàn)狀、電極催化劑以及催化劑載體的研究進(jìn)展，闡述了當(dāng)前燃料電池催化劑研究存在的問題、本文的研究目的及研究內(nèi)容。
　　二、以聚吡咯作為氮源對碳納米管進(jìn)行氮摻雜，改變了碳納米管表面的惰性狀態(tài)，使得貴金屬催化劑顆粒可以在其表面均勻附著，并通過一步水熱法合成了氮摻雜碳納米管復(fù)合鈀銅合金納

4、米空殼催化劑，提高了Pd的利用效率，改善了其催化活性。結(jié)果表明，氮原子已成功摻雜于碳納米管表面，氮摻雜類型以吡啶型和石墨型為主，并且合成的鈀銅合金納米空殼結(jié)構(gòu)具有良好的分散性，其平均直徑大約是50 nm。電化學(xué)測試表明氮摻雜碳納米管負(fù)載鈀銅合金納米立方空殼催化劑對不同醇類電氧化均表現(xiàn)出良好的催化活性及穩(wěn)定性。
　　三、分別使用三聚氰胺，聚吡咯和聚苯胺作為氮源合成了一系列的氮摻雜石墨烯，并通過一步無模板法合成了氮摻雜石墨烯負(fù)載鈀銅合

5、金納米立方空殼催化劑。不同的氮源提供了不同的氮摻雜特征，并對不同的氮摻雜類型（吡啶型N，吡咯型N和石墨型N）對鈀銅合金納米立方空殼催化劑結(jié)構(gòu)形貌及電性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明所制備的鈀銅合金納米立方空殼(直徑約50 nm)負(fù)載于氮摻雜石墨烯上分散性良好，并且氮元素在石墨烯載體上的分布也很均勻。電化學(xué)表征顯示氮摻雜石墨烯負(fù)載鈀銅合金納米立方空殼催化劑對醇氧化具有卓越的催化活性與穩(wěn)定性。
　　四、以乙二胺四乙酸(EDTA)和三

6、聚氰胺為氮源合成了氮摻雜石墨烯，并以此為載體采用原位還原法制備了Pt修飾的PdCu合金復(fù)合催化劑。結(jié)果表明，所合成的氮摻雜石墨烯具有較大的比表面積，與催化劑顆粒產(chǎn)生較大的接觸面積，具有更強(qiáng)的載體-金屬相互作用，Pt修飾的PdCu合金上，Pt原子大量沉積在催化劑表面，可以有效地提高催化劑活性。電化學(xué)性質(zhì)測試表明，該催化劑顯示出較好的催化活性和穩(wěn)定性。
　　五、以三聚氰胺做氮源，甲醛為碳源，乙酸鈷為金屬前驅(qū)體，通過無模板法實(shí)現(xiàn)了具有蛋