金屬—石墨烯納米復合催化劑的制備及在燃料電池中的應用.pdf

1、燃料電池是一種把化學能直接轉化為電能的能源轉化裝置，具有無污染、能量轉化率高、使用范圍廣等優(yōu)點，是未來人類社會重要的能源方式之一。目前，在燃料電池中，常見的陰陽極催化劑大都是Pt催化劑，但傳統(tǒng)的Pt催化劑存在很多不足，影響了其商品化進程，因此，選擇和制備高性能的電催化劑是燃料電池中重要研究課題。通常會將Pt基催化劑負載到導電的高比表面積的碳載體上，碳載體的種類、表面性質等在很大程度上影響著Pt基催化劑的分散程度、顆粒大小和尺寸等，從而影

2、響催化劑的催化性能。石墨烯(Graphene)是新近發(fā)現(xiàn)的一種具有二維平面結構的碳納米材料，它的特殊單原子層結構使其具有許多獨特的物理化學性質，如較大的比表面積和優(yōu)良的電子傳導能力等，因此有望作為金屬催化劑載體應用于生物電催化、燃料電池等領域。本文制備了一系列金屬-graphene納米復合催化劑，將其用于有機小分子(葡萄糖、甲醇)的氧化反應和氧氣的還原反應，研究了金屬-graphene納米復合催化劑的電催化性能，具體內容如下：
　

3、　1.制備了Au-graphene納米復合催化劑，并將其用于催化氧氣的還原反應和葡萄糖的氧化反應。利用電化學沉積法制備了Au-graphene納米復合催化劑，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)，電子能譜(EDS)，X-射線粉末衍射(XRD)和電化學方法等對其進行了表征。通過調節(jié)電沉積的時間和反應溶液中前驅體AuCl4-的濃度可以得到形貌和尺寸可控的Au納米粒子。以氧氣還原反應和葡萄糖氧化反應為模型，利用循環(huán)伏安法對制備的納米復合催化劑的電催

4、化性能進行了研究，結果表明，與單獨的Au納米粒子和graphene相比，Au-graphene納米復合催化劑的電催化活性更高，表明在電催化過程中，Au納米粒子和graphene起到了協(xié)同催化作用。該研究為金屬-graphene納米復合催化劑的制備提供了簡單易行的方法，且該復合催化劑在燃料電池和生物電催化等相關領域有著廣闊的應用前景。
　　2.制備了一種新型的雙金屬-graphene納米復合催化劑，并研究了其電催化特征。利用電沉積方

5、法把Pt-Au納米結構沉積到了石墨烯的表面，制備了Pt-Au-graphene納米催化劑，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)和電化學方法等對其進行了表征。通過調節(jié)Pt和Au前驅體的原子比可得到形貌和組分可控的Pt-Au-graphene納米催化劑。利用循環(huán)伏安法和線性掃描伏安法研究了Pt-Au-graphene納米催化劑對氧氣還原反應(ORR)和甲醇氧化反應(MOR)的電催化性能，結果表明，P

6、t-Au-graphene納米催化劑對ORR和MOR都顯示出比Au-graphene和Pt-graphene催化劑更高的催化性能，且當Pt/Au原子比為2:1時，Pt-Au-graphene納米催化劑的催化活性最高。同時，在催化MOR過程中，graphene表面的含氧官能團可以有效地移除MOR過程中的副產物(如CO等)，有效地提高了Pt-Au-graphene納米催化劑的穩(wěn)定性。因此，制備的Pt-Au-graphene納米催化劑對ORR

7、和MOR都顯示出很高的電催化活性，且可以大大提高n的利用率。本章為制備形貌和組分可控的雙金屬Pt-M催化劑提供了一個簡便易行的方法，有望應用于燃料電池領域。
　　3.研究了Pt-Ni催化劑的結構、組分以及催化劑載體對其催化性能的影響，特別研究了催化劑中Ni的協(xié)同催化作用。Pt基催化劑的結構、組分以及催化劑載體的性質對催化劑的催化性能有很大影響，因此通過控制催化劑的結構和組分特征，從而制備新型高效的催化劑，為降低Pt的用量和提高催化

8、劑的催化性能提供了可能性。通過同時還原Ni2+、PtCl62-和氧化石墨烯(GO)，利用一步化學還原法制備了Pt-Ni-graphene納米催化劑，并利用透射電子顯微鏡(TEM)、紫外光譜(UV-vis)、X-塒線光電子能譜(XPS)、電子能譜(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)對其進行了表征。以甲醇氧化反應(MOR)為模型，對該催化劑的催化性能進行了研究，系統(tǒng)研究了催化劑的結構、組分以及催化劑載體對催化劑催化性能的影響，實驗結果表明

9、，當催化劑中Pt/Ni原子比為1:1時，Pt-Ni-graphene納米催化劑顯示出最高的電催化活性；XPS能譜表明，由于Ni的參與會改變Pt原子的電子結構，同時催化劑中存在的Ni的氧化物會和Pt催化劑起到協(xié)同的催化作用，因此Pt-Ni催化劑比純Pt催化劑顯示出更高的催化活性；同時，不同的催化劑載體對其催化活性也有很大影響，利用拉曼光譜和XPS能譜對不同的催化劑載體(graphene、SWNTs、Vulcan XC-72)進行了表征，并

10、比較了這三種物質作為催化劑載體時，Pt/Ni原子比為1:1時Pt-Ni催化劑的催化性能，結果表明，Pt-Ni-graphene催化劑與其他兩種催化劑相比表現(xiàn)出更高的電催化活性，這是由于graphene表面豐富的含氧官能團會移除催化過程中產生的一些副產物，從而有效地提高了Pt-Ni催化劑的催化性能。
　　4.制備了具有獨特空心結構的Pt-Ni合金催化劑，并將其負載到graphene表面研究了該催化劑的催化性能。不同形貌的Pt基催化劑

11、會影響其比表面積、表面原子結構，從而會影響催化劑的催化性能。利用連續(xù)還原法制備了空心結構的Pt-Ni-graphene復合催化劑，并利用透射電子顯微鏡(TEM)、電子能譜(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)等表征手段對其進行了表征。為了研究該空心結構Pt-Ni合金的形成機理，同時利用TEM觀察了Pt-Ni合金的形成過程，并研究了不同Pt/Ni原子比及不同的表面活性劑對Pt-Ni合金形貌的影響。最后以甲醇氧化反應(MOR)為模型，研究了