PANI/PPy/Pt对甲酸盐氧化的电化学催化性能研究

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直接甲酸盐燃料电池(DFFC)因甲酸盐无毒、易贮存和良好的氧化性而备受关注。Pt基催化剂仍广泛用于DFFC中。但Pt基催化剂容易中毒。导电聚合物聚苯胺(PANI)和聚吡咯(PPy)因具有较大的比表面积、良好的稳定性、独特的π共轭结构和电子传导性等优点,可用于修饰铂催化剂。本论文采用化学氧化聚合法制备了 PANI/Pt,PPy/Pt和PANI/PPy/Pt复合电催化剂。采用SEM、EDS、FT-IR、Raman、XRD、TG和XPS等研究方法对PANI,PPy和PANI/PPy进行了表征。采用循环伏安(CV)法、电流-时间曲线(j-t)和交流阻抗(EIS)电化学实验方法研究了电极材料的电化学催化性能。实验结果表明,Pt表面沉积的PANI呈致密的纳米颗粒状;PPy呈球形颗粒,直径约100 nm,局部团簇成珊瑚状;而PANI/PPy则显示出多孔的网状交联结构,该形态有利于构建导电网络和电化学反应过程中的电荷转移。CV实验结果表明,PANI/PPy/Pt催化剂的催化活性、抗毒性以及稳定性均优于PANI/Pt和PPy/Pt。PANI/PPy/Pt催化剂在较宽的pH范围内同时表现出相对较高的催化效率。PANI/PPy/Pt在0.2 mol/L NaOH 和 2.0 mol/L HCOONa 体系中,电流密度达到91.3 mA/cm2,分别比PANI/Pt和PPy/Pt提高了 2.7和2.9倍。稳定性测试结果表明,PANI/Pt的电流保持率在80%左右;PPy/Pt仅为50-60%;PANI/PPy/Pt的电流保持率为70-80%,并且其达到稳态的电流密度均高于PANI/Pt和PPy/Pt。在500次CV循环扫描后,PANI/PPy/Pt的电流损失为22.1%,PPy/Pt为24.2%,而PANI/Pt为46.6%。此外,PANI/PPy/Pt催化剂在对甲酸钠氧化的电化学催化过程中还表现出良好的抗毒化能力和较快的电催化氧化速率。机理研究表明,随着溶液体系pH的增加,PANI/PPy/Pt在甲酸盐体系的催化氧化活性随之增加。我们认为,碱性环境更加有利于降低燃料小分子以及毒性中间体CO在催化剂表面的氧化电位。也就是说,由于甲酸盐电氧化过程中生成的CO类毒物会迅速被氧化掉因而不易堆积在催化剂表面造成电极毒化,从而达到改善电催化剂催化性能的目的。
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