直接甲醇燃料电池阳极Pt基合金催化剂的研究

论文摘要

本文综述了直接甲醇燃料电池（DMFC）的基本结构,研究现状及关键技术问题,详细介绍了阳极催化剂的研究现状及催化剂的制备方法,并对浸渍还原法制备催化剂的性能影响因素进行了介绍。为了提高直接甲醇燃料电池的阳极催化剂活性,降低贵金属的载量,利用浸渍还原法制备的PtNi/C和PtNiPb/C催化剂,研究了催化剂的活性及稳定性。并通过X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）,能量散射光谱（EDAX）、X-射线光电子能谱（XPS）、等测试方法对催化剂的表面形貌,粒径,晶型结构、组成、表面电子状态等进行表征。利用玻碳电极测试了催化剂在0.5mol·L-1甲醇和0.5mol·L-1硫酸混合溶液中的循环伏安曲线,阶跃电位曲线,I-t曲线,考核了催化剂对甲醇电催化氧化活性和稳定性的影响。由循环伏安测试结果表明在Pt:Ni=8:2、80℃、pH=8时制备的PtNi/C催化剂具有最好的催化活性。而XRD表明催化剂晶体呈面心立方结构,计算得知粒径较大约为4nm左右。TEM结果显示PtNi/C催化剂有明显团聚现象。由EDAX结果显示,PtNi比例与理论相似,表明金属全部沉积在载体表面。XPS结果显示Pt主要以0价形式存在,Ni主要以NiO,Ni（OH）2,NiOOH的形式存在。与Pt/C（E-Tek）催化剂比较显示,Pt-Ni/C二元合金催化对于阳极甲醇溶液中的暂态催化活性相似,长期稳定性较差,但在同等活性情况下减少了贵金属Pt的用量。PtNiPb/C三元合金催化剂找出最佳反应条件为PtNiPb541,90℃,pH值为10。电化学测试结果表明PtNiPb/C三元合金催化活性明显高于Pt/C（E-Tek）催化剂,但是长期稳定性较低,而XRD计算得知粒径较大约为4nm左右。TEM结果显示PtNiPb/C催化剂略有团聚现象。由EDAX结果显示,PtNi比例与理论相似,表明金属全部沉积在载体表面。由XPS可知催化剂表面主要为NiO,Ni（OH）2,NiOOH,Pb以0价形式存在也有少量的PbO。催化剂的热处理能够提高Pt NiPb/C金属的合金化程度,改变催化剂的结构,使PtNiPb/C催化剂相互间分散的更加均匀,改善催化剂的稳定性,提高催化剂的使用寿命。考察了在氩气保护下200℃,250℃,300℃,350℃下四种不同温度热处理,XRD结果表明随着热处理温度的提高粒径逐渐增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 直接甲醇燃料（DMFC）电池简介
• 1.1.1 直接甲醇燃料（DMFC）基本结构及工作原理
• 1.1.2 直接甲醇燃料（DMFC）的研究现状
• 1.1.3 直接甲醇燃料（DMFC）存在的基本问题
• 1.2 甲醇电催化氧化机理研究
• 1.2.1 甲醇阳极氧化的机理研究
• 1.2.2 催化剂中毒机理研究
• 1.3 直接甲醇燃料（DMFC）阳极催化剂的研究
• 1.3.1 二元合金贵金属基催化剂
• 1.3.2 多元合金贵金属基催化剂
• 1.4 影响催化剂催化性能的因素
• 1.4.1 催化剂的粒子大小对催化剂性能的影响
• 1.4.2 催化剂的晶体结构对催化剂性能的影响
• 1.4.3 催化剂的表面形貌对催化剂性能的影响
• 1.5 直接甲醇燃料（DMFC）阳极催化剂的制备方法
• 1.5.1 浸渍还原法
• 1.5.2 溶胶-凝胶法
• 1.5.3 离子交换法
• 1.5.4 电化学沉积法
• 1.5.5 气相沉积法
• 1.5.6 乙二醇法
• 1.6 浸渍还原法制备催化剂的性能影响因素
• 1.7 本课题的研究背景意义及主要研究内容
• 第2章 实验材料以及试验方法
• 2.1 实验仪器及药品
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品
• 2.2 催化剂的制备
• 2.2.1 碳载体的前处理
• 2.2.2 浸渍还原法制备催化剂
• 2.2.3 浸渍还原法制备催化剂的合金化处理
• 2.3 电化学测试
• 2.3.1 电化学测试采用常规的三电极体系
• 2.3.2 电化学性能测试
• 2.4 催化剂的物理表征
• 2.4.1 XRD测试
• 2.4.2 TEM测试
• 2.4.3 扫描电子显微镜和EDAX电子能谱
• 2.4.4 X-射线光电子能谱
• 第3章 PtNi/C二元合金催化剂的制备及优化
• 3.1 不同原子比组成对PtNi/C二元和金催化剂性能的影响
• 3.2 还原温度对PtNi/C二元和金催化剂性能的影响
• 3.3 还原溶液pH值对PtNi/C二元和金催化剂性能的影响
• 3.4 最优PtNi/C二元合金催化剂与商用Pt/C催化剂的比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 PtNiPb/C三元合金催化剂的制备
• 4.1 不同原子组成对PtNi/C二元合金催化剂性能的影响
• 4.2 还原温度对PtNiPb/C三元合金催化剂性能的影响
• 4.3 还原pH值对PtNiPb/C三元和金催化剂性能的影响
• 4.4 PtNiPb/C与Pt/C（E-Tek）催化剂的活性比较研究
• 4.5 PtNiPb合金化处理
• 4.6 热处理后的PtNiPb/C催化剂与Pt/C（E-Tek）催化剂比较
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢