纳米多孔Pd基燃料电池催化剂乙醇氧化反应及氧气还原反应催化性能研究

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直接醇类燃料电池(DEFC)因其具有高的功率密度,燃料存储安全方便,以及环境友好等优点,受到了研究者的广泛关注和研究。DEFC在投入到商业化生产中,仍面临挑战,如电极动力学慢,有机小分子等材料能量密度低,容易引起催化剂中毒等。为降低燃料电池成本、提高催化剂利用效率,Pd基催化剂的研究受到重视。本文采用熔体快淬结合去合金化法制备了纳米多孔PdM(NP-PdM)催化剂,其中M为Mn,Y,Ce,Ta,Nb,通过X射线粉末衍射(XRD),X射线光电子能谱分析(XPS),扫描电子显微镜(SEM),能量散射光谱(EDS),透射电子显微镜(TEM)对材料进行表征,并研究了其在碱性条件下对乙醇氧化反应(EOR)和氧还原(ORR)的电催化活性。主要研究内容和结论如下:采用电弧熔炼和熔体快淬的方法制备了Pd15Mn5Al80、Pd15Y5Al80、Pd15Ce5Al80、Pd15Ta5Al80和Pd15Nb5Al80合金条带,用去合金化的方法制备出NP-PdMn、NP-PdY、NP-PdCe、NP-PdTa、NP-PdNb催化剂,并用XRD、XPS、SEM和TEM等测试方法对其结构、形貌及组成进行了分析。结果表明制备的催化剂具有纳米多孔结构,孔径约为5到10 nm左右。M金属的加入使得催化剂的EOR催化活性得到了显著提高,结果显示:NP-PdMn(64.9 m2/g)、NP-PdY(34.8m2/g)、NP-PdCe(32.7 m2/g)、NP-PdTa(489.8 m2/g)、NP-PdNb(153.3 m2/g)催化剂的电化学活性面积分别约为商业Pd/C(11.7 m2/g)的5.5倍、3.0倍、2.9倍、41.8倍和13.1倍。加入乙醇后的峰值电流密度分别为760.0 mAmg-1、1420.0mAmg-1、1045.1 m Amg-1、1901.8 mAmg-1、587.9 mAmg-1,约为商业Pd/C(400.0mAmg-1)的1.9倍、3.6倍、2.6倍、4.8倍和1.5倍。起峰电位分别移动了230 mV、190 mV、120 mV、270 mV和170 mV。在EOR稳定性测试结果显示,NP-PdMn、NP-PdY、NP-PdCe、NP-PdTa、NP-PdNb催化剂的稳定性优于商业Pd/C催化剂。在对NP-PdCe、NP-PdTa、NP-PdNb催化剂的ORR催化性能测试结果显示:三种催化剂与商业Pd/C催化剂的半波电位分别移动了53 m V、44 mV和44 mV,同时在电位为0.875 V时的质量活性分别约为商业Pd/C催化剂的3.5倍、3.5倍和3.1倍。通过NP-PdCe、NP-PdTa、NP-PdNb催化剂循环5000圈测试后,半波电位分别移动了10 mV、1 mV和19 mV,表现出良好的稳定性。这使得NP-PdMn、NP-PdY、NP-PdCe、NP-PdTa、NP-PdNb催化剂成为优于商业Pd/C的直接醇类燃料电池阳极和阴极催化剂。
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