锡基复合氧化物担载Pt催化剂的制备及对甲醇电催化氧化性能

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直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cells,简称DMFCs)由于具有燃料便于储备、操作温度要求较低(<100C)、能量工作效率高、运输便捷、环保低污染和启动快等受到人们的广泛青睐,是21世纪迅速发展的环保无污染绿色能源。但迄今为止,该类燃料电池的商业化应用还受到一定局限。其原因之一是DMFCs的催化剂还主要是以Pt为主,Pt不仅价格昂贵,而且Pt在甲醇氧化过程中容易被中间产物所毒化,从而造成其催化稳定性和活性显著降低。此外,Pt的催化性能还有待提高,氧化物作为Pt催化剂的有效助剂已被广泛关注,但氧化物自身较差的导电性往往限制了氧化物在Pt电催化剂中的应用。碳载体的存在使得氧化物对Pt的助催化作用机理研究也更为复杂。为此,本文制备了锡基复合氧化物,以此为载体来担载Pt催化剂,解决Pt催化剂在DMFCs应用中的局限性,考察了在碱性条件下金属氧化物载体和传统C载体担载Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性。利用透射电镜(TEM)、 X射线衍射谱(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等分析技术,对样品的组成、结构和形貌等进行了详细表征。通过循环伏安法、计时电流曲线等电化学技术对样品进行了电化学性质表征。结果显示,以复合氧化物载体替代传统的碳载体担载Pt催化剂,能够显著提高Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性和抗CO中毒能力。具体结果如下:1.用水热法制备了复合金属氧化物InxSnO2,并用其作为载体担载Pt催化剂,考察了在碱性条件下金属氧化物载体和传统C载体担载Pt催化剂对甲醇催化氧化的性能。通过循环伏安法、计时电流曲线等电化学技术对样品进行电化学表征,结果显示,用InxSnO2载体替代传统的碳载体担载Pt催化剂,能够显著提高Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性和抗CO中毒能力。将少量的铟掺杂到二氧化锡载体中,Pt催化剂的催化活性和稳定性即可得到显著提升,Pt/In0.1SnO2催化剂的质量比活性(MSA)和本征活性(IA)分别是Pt/C催化剂的3.0倍和4.3倍,这可能是由于Pt的电子结构发生了变化所致。以上结果表明,复合金属氧化物不仅可以作为催化剂的载体,还对Pt催化氧化甲醇起到助催化作用。2.用水热法制备了复合金属氧化物TixSn1-xO2,并以其作为载体担载Pt催化剂。通过循环伏安法、计时电流曲线等电化学技术对样品进行电化学表征,结果显示,用TixSn1-xO2载体替代传统的碳载体担载Pt催化剂,能够显著提高Pt催化剂对甲醇催化氧化的活性和抗CO中毒能力。其中Pt/Ti0.2Sn0.8O2样品的MSA和IA分别是商业Pt/C催化剂的2.5和2.1倍。以上结果表明,复合金属氧化物不仅可以作为催化剂的载体,还对Pt催化氧化甲醇起到助催化作用。3.乙醇无毒,且可从生物质获得,是直接醇类燃料电池的另一理想燃料。本文利用水热法制备了复合金属氧化物SnO2,并用其作为载体担载Pd催化剂,考察了Pd/SnO2催化剂在碱性介质中对乙醇电氧化反应的催化性能。通过循环伏安法和计时电流曲线对样品进行电化学表征,结果显示采用非碳型载体SnO2替代传统的碳载体担载Pd催化剂,能够显著提高Pd催化剂对乙醇电氧化反应的催化活性和稳定性。对Pd/SnO2催化剂来说,单位质量Pd上乙醇氧化的峰电流是Pd/C催化剂的1.4倍。
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