铂基复合催化剂的合成及其对甲醇电催化氧化性能的研究

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能源的短缺,给人类的生存条件和自然环境造成了极大的破坏。燃料电池作为一种不经过燃烧,直接以电化学方式将化学能转化为电能的发电装置,有望成为21世纪的洁净、高效的发电技术之一。直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell)是燃料电池的一个重要分支,以甲醇为燃料,具有无污染、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方面可能得到应用。但是目前阻碍DMFC发展的主要问题是低温条件下甲醇在阳极上的电催化氧化活性不高。Pt、Pt基合金以及Pt掺杂氧化物以其优异的催化性能而成为DMFC的阳极催化剂。众所周知,催化剂的活性与其颗粒大小、分布、形貌等因素都有着密切的关系,所以制备粒径适宜、分布均匀、以及具有高表面积的催化剂是提高催化活性的关键。本论文采用了化学和电化学方法,如化学还原,循环伏安,恒电位沉积等方法制备电催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能量色散(EDX)、及透射电镜(TEM)等研究手段对其结构和组成进行表征,并采用电化学方法分析研究电催化剂对甲醇的电催化氧化,并取得了以下的主要研究结果:(1)采用循环伏安法制备Pt-Au复合催化剂于导电玻璃(ITO)上。通过扫描电镜(SEM),X射线能量色散谱(EDX),X射线衍射(XRD)及其电化学方法对催化剂样品进行了表征。SEM结果表明,Pt-Au复合催化剂的形貌近似球状粒子。循环伏安法和计时电流法的测试结果表明,复合催化剂中Au的加入有利于甲醇的电催化氧化,并提高了Pt对甲醇氧化的抗毒化能力。同时研究了复合催化剂中Au的不同含量对甲醇氧化的影响,结果表明,Pt1.07Au催化剂具有最佳的甲醇电催化氧化活性。(2)采用化学还原法合成Pt-TiO2纳米复合催化剂,直接修饰到导电玻璃(ITO)上。TEM结果表明,Pt纳米粒子的平均粒径约为2.6 nm,均匀地分散在TiO2表面。XRD表征结果表明,Pt呈现出面心立方晶型,而TiO2以金红石和锐钛矿两种形式存在。在紫外光照射下,Pt-TiO2/ITO电极对甲醇电催化氧化活性有很大的提高,同时,计时电流曲线结果表明,Pt-TiO2/ITO电极对甲醇氧化的抗中毒性也得到很大的提高。(3)以碳纳米管为载体,将其溶于乙醇溶液,加入5% Nafion混合超声均匀,然后取10μl滴至玻碳电极表面,以此作为基体。然后采用恒电位法分别在CNT/GC电极表面沉积Pt、PtAu、PtAuRu等铂基多元合金,并研究了这些电极对甲醇的电催化氧化,结果表明铂基三元合金(PtAuRu/CNT)对甲醇的电催化性能比铂基二元(PtAu/CNT)的要高,铂基二元合金(PtAu/CNT)的催化活性又比一元(Pt/CNT)的活性高,其中Pt:Au:Ru原子比为2.5:1:1时对甲醇的电催化活性最高。(4)采用一步,无模板电沉积法合成不同形貌的Pt纳米粒子。通过SEM,EDX,XRD及电化学方法对其样品进行表征。Pt纳米结构的形貌受多种条件的影响,如,电解液种类,溶液浓度以及沉积时间等。不同形貌的Pt纳米粒子,对甲醇氧化表现出不同的催化活性和抗中毒性。
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