纳米Pt/SiC的制备、表征及其电化学催化性能研究

论文摘要

燃料电池因其燃料来源丰富、能量密度高、可以在常温下运行和稳定性好等优点,一直是研究的热点。目前,对于燃料电池的研究主要在以下几个方面,即寻找高效的催化剂、制备更加有效的质子膜以及优化整个电池系统。其中,电极催化剂的研究对电池的推广起着关键的作用。大量的研究表明：不同的催化剂载体、不同的合金组成以及不同制备方法对催化剂的催化活性和稳定性有着直接影响。到目前为止,Pt金属及其以Pt中心的合金催化剂仍被认为是最有效的燃料电池催化剂,如PtRh, PtPd, PtSn等等。在Pt基催化剂体系中,PtRu二元合金催化剂是最佳的电氧化催化剂。另外,碳载体是应用最多的燃料电池催化剂载体,但其在高温、高压、高电势和含氧量较高环境中易被腐蚀,引起Pt粒子的流失,甚至会造成电极的破坏,影响电池的使用寿命。碳化硅(SiC)是近几年发现的新型材料,具有独特的金刚石结构,与以往的催化剂载体相比具有较高的电子传导率、耐腐蚀性等特点,已被作为催化剂载体应用于工业催化和燃料电池等科技领域。本论文制备了以活化SiC粉末为载体的催化剂Pt/SiC,并通过X射线衍射(XRD)、循环伏安法(CV)等技术,对Pt/SiC的电化学性质进行了详细分析。结果表明：以活化处理的商业SiC粉末为载体的催化剂Pt/SiC比C/Pt催化剂的催化性能高很多,且在氢气气氛中400℃下焙烧还原所制备的催化剂的催化活性最高。本文还用超声波分散与氢气还原相结合的方法制备了PtRu合金催化剂,并对其在有机小分子中的催化性能进行了分析研究,结果表明：所制备RuPt/SiC催化剂的特殊结构具有更高的活性,更好的防腐蚀和抗毒化能力。当RuPt/SiC前躯体在300℃下焙烧还原2h, PtRu原子比为1：1,所得到的RuPt/SiC催化剂在氢吸脱附氧化和甲醇的电化学氧化中具有较高的活性、耐腐蚀性和抗CO中毒能力。本文还初步探索了SiC的形貌与Pt/SiC电氧化作用之间的关系,结果表明：载体的形貌对有机小分子的电化学性能以及氢的吸附、脱附均有较大的影响。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池的发展概况
• 1.2 质子膜交换电池
• 1.2.1 质子膜交换电池的发展概况及应用前景
• 1.2.2 质子膜交换电池的原理结构
• 1.3 阳极催化剂的研究进展
• 1.3.1 一元金属电催化剂
• 1.3.2 多元金属电催化剂
• 1.4 催化剂载体
• 1.4.1 碳载体
• 1.4.2 碳化硅载体
• 1.5 论文选题的意义和内容
• 1.5.1 选题的意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.6 论文的创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂和材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验装置
• 2.3.1 电解池的构造
• 2.4 电化学实验方法
• 2.4.1 实验装置的清洗
• 2.4.2 电解质溶液的配置和除氧
• 2.4.3 电极预处理
• 2.5 催化剂物理表征
• 2.5.1 XRD表征
• 2.5.2 TEM表征
• 第三章 Pt/SiC催化剂的制备及性能评价
• 3.1 引言
• 3.2 Pt/SiC催化剂的制备
• 3.2.1 载体的处理
• 3.2.2 Pt/SiC催化剂的制备
• 3.2.3 Pt/C催化剂的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 载体预处理对Pt/SiC催化剂性能的影响
• 3.3.2 以甲醛为还原剂制备的Pt/SiC催化剂表征
• 3.3.3 以氢气为还原剂制备的Pt/SiC催化剂表征
• 3.3.4 不同还原剂对Pt/SiC催化剂催化性能影响
• 3.4 小结
• 第四章 PtRu/SiC二元纳米合金催化剂的制备及性能评价
• 4.1 引言
• 4.2 PtRu/SiC二元纳米合金催化剂的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 焙烧还原温度对PtRu/SiC催化剂结构与性能的影响
• 4.3.2 焙烧还原时间对PtRu/SiC催化剂结构与性能的影响
• 4.3.3 原子组成对PtRu/SiC催化剂结构与性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 载体形貌对催化性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 SiC的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD表征结果
• 5.3.2 TEM表征结果
• 5/SiC催化剂性能的影响'>5.3.3 载体形貌对Pt₅/SiC催化剂性能的影响
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得研究成果
• 致谢
• 个人简况及联系方式