負(fù)載型鈀納米催化劑的可控合成及電催化性能的研究.pdf

1、燃料電池作為一種新型清潔能源，具有高效、安全、可再生、環(huán)境友好等優(yōu)點，備受世人關(guān)注。然而燃料電池的商業(yè)化仍然受一些因素的制約，如貴金屬催化劑昂貴的價格，因此，提高貴金屬利用率、降低貴金屬用量成為當(dāng)前的研究重點之一。金屬納米顆粒的大小、形態(tài)以及在載體上的分散性受到載體的影響，因而高效的催化劑要選擇合適的載體。碳納米管(CNTs)因具有特殊的表面結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而成為燃料電池金屬催化劑載體的良好選擇。但是碳納米管具有

2、固有的化學(xué)惰性，金屬納米顆粒很難直接沉積在其表面。于是人們通常采用強(qiáng)酸氧化法在其表面引入官能團(tuán)，使其表面功能化。然而強(qiáng)酸氧化過程會損壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，使其機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性和整體導(dǎo)電性降低。因此，用新的方法將金屬顆粒沉積在載體表面并對其尺寸和分散性進(jìn)行調(diào)控，而不影響載體的固有性質(zhì)成為該領(lǐng)域的研究熱點。考慮到催化劑電催化氧化燃料時，容易受CO類似物的影響，氧化物能夠促進(jìn)CO類似物的氧化或者移除，釋放貴金屬的活性位點，因而氧化物成為催化劑載

3、體的另一選擇。
　　本論文通過合成方法和催化劑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，對載體表面負(fù)載Pd納米顆粒進(jìn)行可控合成，進(jìn)而制備高效的Pd基催化劑，并研究了它們的形貌、結(jié)構(gòu)和組成以及對甲酸和乙醇電氧化的催化性能。論文主要內(nèi)容如下:
　　(1)介紹了燃料電池的發(fā)展概況，綜述了燃料電池催化劑的制各方法及研究進(jìn)展;并介紹了本論文的選題依據(jù)，研究內(nèi)容和方法。
　　(2)根據(jù)配位化學(xué)基本原理，我們選取草酸鈉為添加劑對Pd納米顆粒進(jìn)行可控合成，采用簡單的

4、常溫常壓還原法制備了多壁碳納米管負(fù)載的Pd催化劑。該催化劑中Pd納米顆粒分散性好，尺寸均勻，平均粒徑為5.6nm，且對甲酸進(jìn)行電催化氧化時，電流密度高達(dá)140mA/cm2，明顯高于強(qiáng)酸氧化處理碳納米管而得到的對照催化劑（Pd/AO-MWCNTs，約為90mA/cm2），同時還表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。
　　(3)根據(jù)π-π共軛效應(yīng)和配位化學(xué)理論，我們以系列含苯環(huán)類有機(jī)物（包括:鄰氨基苯甲酸、鄰苯二胺、水楊酸、鄰苯二酚、鄰苯二甲酸）為添加

5、劑，對Pd納米顆粒進(jìn)行可控合成，采用常溫常壓還原法制備了系列多壁碳納米管負(fù)載的Pd催化劑，研究了苯環(huán)鄰位上-COOH，-NH2和-OH的不同組合對Pd納米晶的尺寸、分散性的影響規(guī)律，同時還研究了該系列催化劑對甲酸氧化的催化性能規(guī)律，發(fā)現(xiàn)此規(guī)律與以上規(guī)律相一致，即良好影響效果按以下次序遞減:NH2/COOH＞NH2/NH2＞COOH/OH＞OH/OH＞COOH/COOH，即苯環(huán)鄰位上-NH2和-COOH組合時合成的Pd納米顆粒分散性最好，

6、尺寸最小，對甲酸電氧化的催化性能最好。
　　(4)根據(jù)螯合效應(yīng)，我們以谷氨酸為添加劑可控合成了Pd納米顆粒，采用溶劑熱法制備了樹枝狀三氧化二鐵負(fù)載的Pd催化劑。該催化劑中Pd納米顆粒具有好的分散性，均一的尺寸，平均粒徑為4.6nm。在此催化劑制備過程中，降低了Pd的用量，并且由于三氧化二鐵有助催化作用，該催化劑對乙醇的電催化氧化表現(xiàn)出較高的質(zhì)量活性，為450.8mA/mgPd，明顯高于Pd/XC-72(359.9mA/mgPd)和