碳載Pt、Pt基合金和Pd金屬納米粒子的合成及其對甲醇、甲酸氧化的電催化性能研究.pdf

1、燃料電池是高效、綠色的新型發(fā)電裝置，其中以甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(DMFCs)和以甲酸為燃料的直接甲酸燃料電池(DFAFCs)，具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，被認為是理想的可移動或者小型化能源。但是DMFCs研究中有兩個問題急需解決：一是低溫下甲醇在陽極上的電催化氧化活性不高；二是甲醇從陽極透過電解質(zhì)膜滲透到陰極嚴重，這就需要制備對甲醇氧化的電催化活性高的催化劑。過渡金屬Pt以及Pt基合金以其優(yōu)異的催化性能而成為DMFCs的陽極催化劑。

2、甲酸透過電解質(zhì)膜的滲透率較小，使其在電池中的燃料利用率高，對甲酸燃料電池的研究也引起了越來越多的關注。眾所周知，催化劑的活性與其顆粒大小、分布、形貌等因素有著密切的關系，所以制備粒徑適宜、分布均勻的催化劑是提高催化劑的催化活性的關鍵。 本論文的工作主要從Pt和Pt基合金、以及Pd納米催化劑的制備方法入手，研究了用微波多元醇方法制備高分散的碳負載Pt、PtRu、PtNi、PtPd和Pd納米粒子催化劑；用金屬置換法在常溫下制備了碳納

3、米管負載空心PtCo納米催化劑。用能譜(EDX)、X-射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)等研究手段對其結(jié)構(gòu)和組成進行表征，并用電化學方法研究了其對甲醇或甲酸氧化的電催化活性，并取得了以下的主要研究結(jié)果： (1)用微波多元醇法合成了PtRu/C、PtNi/C和Pt/C催化劑，并用TEM和XRD對催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進行了表征。結(jié)果表明微波合成的PtRu/C、PtNi/C和Pt/C催化劑的PtRu、PtNi合金納米粒子和

4、Pt納米粒子具有細小和均勻的粒徑，并高度均勻分散在碳載體上。電化學測試顯示：與Pt/C催化劑相比，PtRu/C和PtNi/C催化劑對甲醇的電化學氧化具有較低的起始電位和更穩(wěn)定的恒電位極化計時電流，表明PtRu/C和PtNi/C催化劑比Pt/C催化劑具有更高的對甲醇氧化的電催化活性、更好的穩(wěn)定性和良好的抗CO中毒性能。 (2)以碳納米管作為載體，用基于金屬間的置換反應的原理合成了具有中空結(jié)構(gòu)的PtCo/CNTs電催化劑，并對其進行

5、了XRD、TEM和EDX表征。TEM觀察顯示PtCo為典型的空心納米粒子形貌，具有均勻的外徑，PtCo空心納米粒子均勻地分散在碳納米管載體上。電化學實驗結(jié)果表明空心PtCo/CNTS催化劑的電化學活性比表面為93.5 m<'2>/g，顯著高于實心PtCo/CNTS催化劑?？招腜tCo/CNTS催化劑比實心PtCo/CNTS催化劑對甲醇氧化具有更高的電催化活性。 (3)用微波多元醇方法合成了Pd/C和PtPd/C，并對其用TEM，

6、XRD對其進行了微觀結(jié)構(gòu)和形貌的表征。結(jié)果表明該方法合成的Pd/C和PtPd/C催化劑的Pd和PtPd合金納米粒子具有均勻的粒徑，并均勻地分散在XC-72C表面。對甲酸的電化學氧化實驗顯示Pd/C和PtPd/C納米催化劑對甲酸的起始氧化電位遠遠低于Pt/C納米催化劑，Pd/C和PtPd/C納米催化劑具有很高的對甲酸氧化活性。由于鈀和鉑對甲酸氧化的反應途徑不同，Pd/C和PtPd/C催化劑比Pt/C催化劑對甲酸的氧化具有更高的電催化活性。