导电高分子与贵金属复合物的电催化性能研究

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随着能源短缺和环境污染的日益严重,人们正在寻找新的能源来补充或替代常规能源。直接燃料电池作为一种新型的能源装置,具有能量效率高、无污染等优点,已成为世界各国研究的热点。直接燃料电池是以氢、甲醇、甲酸等为燃料,通过化学反应产生电能,主要产物为水,属于新型的绿色能源。直接燃料电池一直难成商业化,主要是成本太高,这种成本主要来自于铂的成本。如何提高铂的利用率是关键,例如减小铂的尺寸,以及提高铂在载体表面的分散度和均匀性。催化剂载体对提高催化剂的效率非常重要。近年来,具有高表面积、低电阻和高稳定性的导电聚合物作为燃料电池催化剂载体被广泛研究。现作为燃料电池催化剂载体的大部分导电聚合物是杂环共轭聚合物,例如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和它们的衍生物。本文采用电化学方法制备了导电高分子/贵金属复合催化剂。通过SEM、EDX和电化学方法等对所制备的复合催化剂进行了表征,研究了复合催化剂对甲醇和甲酸的电催化氧化性能。(1)在硫酸溶液中,采用恒电位法在玻碳电极上制备了聚邻甲氧基苯胺聚合物,并以此作载体负载铂、铂-钌、铂-金、铂-钯催化剂。SEM结果表明,聚邻甲氧基苯胺是一个三维网状的孔状结构,金属纳米粒子均匀地分散在聚邻甲氧基苯胺的表面,并且形貌看起来相似。甲醇电催化氧化结果表明,聚邻甲氧基苯胺和二元金属的使用大大提高了铂对甲醇的电催化氧化性能。不同电极对甲醇的电催化氧化活性顺序为:铂-钌/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极>铂/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极>铂-金/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极>铂/玻碳电极>铂-钯/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极。(2)同样条件下制备了铂/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极材料,并在酸性条件下对甲酸的电催化氧化性能进行了研究。相对于铂/玻碳电极,铂/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极对甲酸具有更大的电催化氧化能力和抗毒化能力。同时,我们详细考察了不同参数对甲酸电催化氧化的影响,例如:铂的载量、膜的厚度、甲酸的浓度和扫描速率等等。CO剥离实验表明,CO在铂/聚邻甲氧基苯胺/玻碳电极复合催化剂上的吸附强度大大减弱、且CO更容易氧化去除。(3)在纯三氟化硼乙醚电解质中,我们以邻苯二酚为单体在玻碳电极上制备了聚邻苯二酚聚合物。并且以聚邻苯二酚为载体负载铂纳米粒子,分别研究其对甲醇和甲酸的电催化氧化。相对于沉积在裸玻碳电极上的铂催化剂,铂/聚邻苯二酚/玻碳电极对甲醇和甲酸的电催化氧化具有更好的电催化活性和抗毒化能力。这种促进效果可归于聚邻苯二酚膜的粗糙性及铂纳米粒子与聚邻苯二酚之间的协同作用。同时,研究了不同参数对甲醇和甲酸电催化氧化的影响,例如:铂的载量、聚合物膜的质量、甲醇、甲酸和硫酸的浓度等等。
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