表面修饰碳纳米管负载金属纳米催化剂的合成及性能研究

论文摘要

燃料电池因具有高效、安全、可靠,环境友好,易操作等其它能量发生装置不可比拟的优越性,备受世人关注。但是,目前仍存在一些因素制约着燃料电池的商业化应用,其中之一是贵金属催化剂的昂贵价格。因此许多研究工作都聚焦于提高贵金属的利用率,降低贵金属的用量,进而降低催化剂的成本。其中载体对催化剂的影响十分重要,因为催化剂纳米颗粒的大小、形态以及在载体上的分布都受载体性质的影响。碳纳米管特殊的表面结构、优良的导电性和良好的热稳定性、化学稳定性,使其有可能成为高效燃料电池金属催化剂的载体。然而碳纳米管具有固有的化学隋性,通常采用强氧化剂预处理法,在碳管的表面引入官能团,以使金属颗粒较好的沉积在碳纳米管表面。但是强氧化过程会破坏碳管结构,降低其机械强度,影响其耐腐蚀性和整体导电性,导致催化剂电化学活性的降低。所以用新的修饰方法来代替氧化法是目前该领域的研究热点。本论文研究了在温和条件下,采用表面修饰碳纳米管代替氧化法制备了高效的Pd,Pt基催化剂,研究了它们对甲酸氧化和甲醇氧化的催化性能。通过高倍透射电子显微镜（HR-TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线粉末衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析等技术对催化剂的形貌和结构进行了表征,用循环伏安法（CV）、计时电流法等电化学分析测试技术,对催化活性和稳定性等进行了详细研究,得到一些有意义的成果,论文主要内容如下:（1）介绍了燃料电池的概况,综述了制备燃料电池催化剂的方法,及研究进展。（2）以谷氨酸为添加剂,采用简单的溶剂热合成法,制备出碳纳米管负载的粒径在5.2nm的Pd催化剂,4.6nm的Fe-Pd催化剂和50nm左右的PdCu合金立方空壳催化剂。它们对甲酸的氧化,表现出较高的活性和稳定性。（3）以邻苯二甲酸为添加剂,以乙二醇水溶液为分散剂,在常温下制备碳纳米管负载的Pt催化剂。Pt纳米粒子颗粒较小（2.2nm）,粒径分布窄,很好地分散性在碳纳米管的,对甲醇氧化表现出很高的催化活性。以8-羟基喹啉为添加剂,制备碳纳米管负载的Pt-SnOx催化剂,Pt颗粒粒径较小,且抗CO中毒能力强。（4）三元金属对甲醇氧化的性能研究。我们首先以谷氨酸为添加剂,在溶剂条件下合成碳纳米管负载的PdCo合金催化剂,粒径在7.2nm左右。然后在常温条件下,将PdCo合金表面生长1.8nm左右的Pt小颗粒,三元金属的催化活性比单一Pt金属有了大大的提高。上述的研究结果不仅为碳纳米管负载金属提供了新的方法,对于提高贵金属颗粒的利用率以及解决催化剂中毒等问题也提供了新的思路和尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池的概况
• 1.1.1 燃料电池的沿革
• 1.1.2 燃料电池的分类
• 1.2 直接甲酸和直接甲醇燃料电池概述
• 1.2.1 直接甲酸和直接甲醇燃料电池简介
• 1.2.2 直接液体燃料电池的基本结构和工作原理
• 1.3 催化剂的合成方法
• 1.4 催化剂载体材料的要求
• 1.5 选题背景和研究内容
• 第二章 谷氨酸盐修饰碳纳米管负载Pd 纳米催化剂的制备及催化性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 催化剂的物理性质表征
• 2.2.4 催化剂的电化学性能表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 催化剂的合成机理
• 2.3.2 催化剂的物理性质表征
• 2.3.3 催化剂的电化学性能表征
• 2.4 结论
• 第三章 谷氨酸盐修饰碳纳米管负载Fe-Pd 纳米催化剂的制备及催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 实验过程
• 3.2.3 催化剂的形态表征
• 3.2.4 电化学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 催化剂的物理性质表征
• 3.3.2 催化剂的电化学性能表征
• 3.4 结论
• 第四章 钯/铜合金空壳纳米立方催化剂的制备及催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.4 物理性质分析
• 4.2.5 电化学性能分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 催化剂的合成机理
• 4.3.2 催化剂的物理性质表征
• 4.3.3 催化剂的电化学性能表征
• 4.4 结论
• 第五章 邻苯二甲酸盐修饰碳纳米管负载的Pt 纳米催化剂的制备及催化性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂
• 5.2.2 实验过程
• 5.2.3 物理性质分析
• 5.2.4 电化学性能分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 催化剂的合成机理
• 5.3.2 催化剂的物理性质表征
• 5.3.3 催化剂的电化学性能表征
• 5.4 结论
• x催化剂的制备及催化性能研究'>第六章 8-羟基喹啉修饰的碳纳米管负载Pt-SnO_x催化剂的制备及催化性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂
• 6.2.2 实验过程
• 6.2.3 物理性质表征
• 6.2.4 电化学性能分析
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 催化剂合成机理
• 6.3.2 催化剂的物理性质表征
• 6.3.3 催化剂的电化学性能表征
• 6.4 结论
• 第七章 谷氨酸盐修饰碳纳米管负载Pt-PdCo 异质结构催化剂的制备及性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 试剂
• 7.2.2 实验过程
• 7.2.3 物理性质分析
• 7.2.4 电化学性能分析
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 催化剂合成机理
• 7.3.2 催化剂的物理性质表征
• 7.3.3 催化剂的电性能表征
• 7.4 结论
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录