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有机物改性直接醇类燃料电池电催化剂研究

2020-11-28阅读(373)

有机物改性直接醇类燃料电池电催化剂研究

论文摘要

直接醇类燃料电池（DAFC）具有无污染、燃料来源广、能量转化率高、储存和运输方便等优点,在便携式电源、电动机车和野外电站等领域具有广阔的应用前景,对解决当前世界面临的能源短缺和环境污染两大难题具有重要的现实意义。但是,电极电催化剂的低活性及高价格仍是阻碍DAFC商业化发展的关键问题之一。提高催化剂活性、降低贵金属用量是推动DAFC商业化发展的重要途径。本论文主要研究有机化合物（染料、Nafion、脂肪胺、芳胺等）对DAFC电催化剂或载体的改性,通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线能量散射谱（EDS）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗（EIS）、计时-电流法、Tafel极化曲线等分析测试技术,对电催化剂、电极的形貌、结构、物理化学性质等进行了详细研究。本论文的主要研究工作如下:（1）以Nafion-硫堇（Nf-Th）离子对为分散剂和助催化剂,制备了负载于活性炭上的催化剂NfThPt/C。采用电化学方法考察了NfThPt/C催化剂与商业催化剂E-TEK Pt/C、E-TEK PtRu/C对甲醇的电催化氧化性能。结果表明:在相同金属催化剂担载量情况下,甲醇在NfThPt/C/石墨电极上的氧化峰电流密度分别是E-TEK Pt/C/石墨电极、E-TEK PtRu/C/石墨电极上的7.25倍和3.04倍,而且NfThPt/C催化剂具有较好的抗中毒能力和长期循环稳定性。Nf-Th离子对明显提高了催化剂Pt对甲醇的电催化氧化活性。（2）将有机染料中性红（NR）引入阳极催化剂体系,采用CV、EIS和极化曲线方法考察了Pt/NR/石墨电极对甲醇的电催化氧化性能。在相当Pt催化剂沉积量下,Pt/NR/石墨电极上的交换电流密度和比活性（SA）分别是Pt/石墨电极上的1.25倍和1.83倍,而且具有更好的长期循环稳定性。（3）采用化学方法制备了乙二胺接枝改性碳纳米管（ ED/CNTs）以及催化剂PtRu/ED/CNTs和Pt/ED/CNTs。FTIR结果表明,ED已成功地接枝到了CNTs表面。TEM结果表明ED/CNTs载体更有利于PtRu和Pt纳米颗粒的分散和细小化。在金属催化剂担载量相同时,PtRu/ED/CNTs和Pt/ED/CNTs催化剂对乙醇的电催化氧化活性高于PtRu/CNTs和Pt/CNTs催化剂,Pt/ED/CNTs催化剂的催化活性甚至高于PtRu/CNTs。ED/CNTs是乙醇氧化电催化剂的良好载体。（4）以导电聚合物聚中性红（PNR）修饰的石墨电极为载体,负载催化剂Pt,并用于酸性介质中乙醇的电催化氧化。Pt/PNR/石墨电极对乙醇的电催化氧化活性优于Pt/石墨电极。当石墨电极在5.0×10?4 M NR + 0.50 M H2SO4溶液中聚合10圈、催化剂Pt沉积量相当时,乙醇在Pt/PNR/石墨电极上电催化氧化的比活性为3478.00 A C-1,是Pt/石墨电极上（1582.74 A C-1）的2.20倍。结果表明,PNR有利于Pt纳米颗粒的固定,PNR与Pt纳米颗粒间的协同效应提高了催化剂Pt对乙醇的电催化氧化活性及长期循环稳定性。（5）在5.0×10?2 M邻苯二胺（oPD） + 0.20 M Na2SO4溶液中,在CNTs修饰的玻碳（GC）电极上电化学聚合邻苯二胺（PoPD）,然后电化学沉积Pt纳米颗粒,得到Pt/PoPD/CNTs/GC电极,并用于氧的电催化还原研究。结果表明,Pt纳米颗粒在PoPD/CNTs复合膜上分散性更好且在酸性介质中对氧还原表现出更高的电催化活性。氧还原在Pt/PoPD/CNTs/GC电极上的比活性为524.20 A C-1,是Pt/GC电极上的2.12倍。采用线性扫描伏安法（LSV）在旋转圆盘电极上考察了氧还原在Pt/PoPD/CNTs/GC电极上的动力学行为。结果表明,在空气饱和的0.10 M H2SO4溶液中,氧还原在Pt/PoPD/CNTs/GC电极上以四电子还原方式为主。PoPD/CNTs复合膜提高了催化剂Pt电催化氧还原的活性。（6）制备了N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）-CNTs复合物,并以其为载体负载催化剂Pt纳米颗粒,用于氧的电催化还原。结果表明氧在Pt/NHPI-CNTs/GC电极上的还原峰电流密度是Pt/GC电极上的1.64倍。动力学研究表明,氧在Pt/NHPI-CNTs/GC电极上的还原主要以四电子方式进行。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 燃料电池概述
  • 1.1.1 燃料电池基本工作原理
  • 1.1.2 燃料电池特点
  • 1.1.3 燃料电池分类
  • 1.1.4 燃料电池应用
  • 1.1.5 新型燃料电池研究
  • 1.2 直接醇类燃料电池
  • 1.2.1 直接醇类燃料电池工作原理
  • 1.2.2 直接醇类燃料电池发展概况
  • 1.2.3 直接醇类燃料电池主要技术问题
  • 1.3 直接醇类燃料电池催化剂研究现状
  • 1.3.1 阳极催化剂
  • 1.3.2 阴极催化剂
  • 1.3.3 电催化剂的制备方法
  • 1.4 催化剂载体改性
  • 1.4.1 炭载体的改性
  • 1.4.2 导电聚合物载体的改性
  • 1.4.3 电极的化学修饰
  • 1.5 有机物在直接醇类燃料电池中的应用
  • 1.5.1 有机物用作催化剂或催化剂前驱体
  • 1.5.2 有机物用作催化剂载体
  • 1.5.3 有机物用作基体改性剂
  • 1.6 本文构思
  • 第2章 Nf-Th 离子对对 Pt/C 催化剂电催化氧化甲醇性能的影响研究
  • 2.1 前言
  • 2.2 实验部分
  • 2.2.1 实验药品
  • 2.2.2 实验仪器
  • 2.2.3 实验所需溶液
  • 2.2.4 电极的制备
  • 2.2.5 工作电极对甲醇的电催化氧化性能研究及催化剂形貌表征
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 NfThPt/C 催化剂的形貌表征及元素组成分析
  • 2.3.2 NfThPt/C 催化剂对甲醇的电催化氧化性能研究
  • 2.3.3 NfThPt/C 催化剂与E-TEK 催化剂的电催化性能比较
  • 2.3.4 NfThPt/C 催化剂的电化学稳定性
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 中性红改性直接甲醇燃料电池阳极电催化剂研究
  • 3.1 前言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 实验药品
  • 3.2.2 实验仪器
  • 3.2.3 实验所需溶液
  • 3.2.4 Pt/石墨电极和Pt/NR/石墨电极制备
  • 3.2.5 Pt/石墨电极和Pt/NR/石墨电极对甲醇的电催化氧化性能研究
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 电极形貌表征和元素组成分析
  • 3.3.2 Pt/NR/石墨电极的循环伏安研究
  • 3.3.3 Pt/NR/石墨电极的极化曲线研究
  • 3.3.4 Pt/NR/石墨电极的电化学阻抗研究
  • 3.3.5 温度对电极电催化性能的影响
  • 3.3.6 Pt/NR/石墨电极的的电化学稳定性
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 乙二胺修饰碳纳米管负载Pt 或PtRu 催化剂的制备及其对乙醇的电催化氧化性能研究
  • 4.1 前言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 实验药品
  • 4.2.2 实验仪器
  • 4.2.3 实验所需溶液
  • 4.2.4 碳纳米管的功能化
  • 4.2.5 催化剂的制备
  • 4.2.6 催化剂的表征及电化学性能测试
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 ED/CNTs 的红外光谱表征
  • 4.3.2 PtRu/ED/CNTs 和Pt/ED/CNTs 催化剂形貌表征与元素组成分析
  • 4.3.3 PtRu/ED/CNTs 和Pt/ED/CNTs 催化剂电催化氧化乙醇性能研究
  • 4.3.4 电极的电化学稳定性
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 Pt/聚中性红/石墨电极的制备及其对乙醇的电催化氧化性能研究
  • 5.1 前言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 实验药品
  • 5.2.2 实验仪器
  • 5.2.3 实验所需溶液
  • 5.2.4 Pt/石墨电极和Pt/PNR/石墨电极制备
  • 5.2.5 Pt/石墨电极和Pt/PNR/石墨电极对乙醇的电催化氧化性能研究
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 NR 的电化学聚合
  • 5.3.2 Pt/PNR/石墨电极的形貌表征与元素组成分析
  • 5.3.3 Pt/PNR/石墨电极对乙醇的电催化氧化性能研究
  • 5.3.4 Pt/PNR/石墨电极的电化学稳定性
  • 5.4 本章小结
  • 第6章 Pt/PoPD/CNTs 电催化剂的制备及其对氧的电催化还原性能研究
  • 6.1 前言
  • 6.2 实验部分
  • 6.2.1 实验药品
  • 6.2.2 实验仪器
  • 6.2.3 实验所需溶液
  • 6.2.4 Pt/PoPD/CNTs/GC 电极制备
  • 6.2.5 Pt/PoPD/CNTs/GC 电极对氧的电催化还原性能研究
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 oPD 的电化学聚合及 PoPD/CNTs/GC 电极的电化学性能研究
  • 6.3.2 Pt/PoPD/CNTs/GC 电极的形貌表征及元素组成分析
  • 6.3.3 Pt/PoPD/CNTs/GC 电极对氧的电催化还原性能研究
  • 6.3.4 Pt/PoPD/CNTs/GC 电极电催化氧还原的动力学研究
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 N-羟基邻苯二甲酰亚胺-碳纳米管复合催化剂载体的制备及其在电催化氧还原中的应用初探
  • 7.1 前言
  • 7.2 实验部分
  • 7.2.1 实验药品
  • 7.2.2 实验仪器
  • 7.2.3 NHPI-CNTs 复合物的合成和红外光谱表征
  • 7.2.4 Pt 纳米催化剂的制备
  • 7.2.5 Pt/NHPI-CNTs/GC 电极的制备
  • 7.2.6 Pt/NHPI-CNTs/GC 电极电催化氧还原性能研究
  • 7.3 结果与讨论
  • 7.3.1 Pt 纳米颗粒的形貌表征
  • 7.3.2 NHPI-CNTs 复合物的红外光谱表征及其电化学性能研究
  • 7.3.3 Pt/NHPI-CNTs/GC 电极电催化氧还原性能研究
  • 7.3.4 Pt/NHPI-CNTs/GC 电极电催化氧还原的动力学研究
  • 7.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
  • 致谢

    • 相关论文文献

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