發(fā)布時間：2020-09-27 09:28

　　 化石燃料不僅即將消耗殆盡,而且會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染問題,發(fā)展可再生清潔能源已是迫在眉睫。燃料電池具有轉(zhuǎn)化效率高,能量密度大,對環(huán)境無污染等優(yōu)點,已成為一種重要的可再生清潔能源。與氫氧燃料電池相比,直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell,DMFC)使用液體甲醇為燃料,甲醇具有體積比能量高,價格低廉,來源廣泛等優(yōu)點,除此之外,液體屬性的甲醇儲存和運輸都非常方便,在汽車能源及便攜式電池等領域有很好的發(fā)展前景。然而目前DMFC的陽極甲醇催化氧化反應動力學緩慢,需要使用貴金屬鉑作為催化劑,而鉑儲量稀少且在甲醇催化氧化過程中穩(wěn)定性差,極易吸附反應中間體引起催化劑中毒,這些不足極大的限制了直接甲醇燃料電池的大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)化應用。因此研究制備催化活性高、穩(wěn)定性好及抗CO中毒能力好的甲醇氧化催化劑成為目前的研究熱點。本文從提高甲醇氧化催化劑的活性及穩(wěn)定性出發(fā),采用調(diào)控鉑基納米顆粒的組成、結(jié)構(gòu)及催化劑載體等方法制備出具有高活性和穩(wěn)定性的甲醇氧化催化劑。實驗結(jié)果表明還原的氧化石墨烯(rGO)負載二元Pt4Ir1合金催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能,這是由于Pt4Ir1合金之間形成了原子級橋式協(xié)同促進含碳中間產(chǎn)物的進一步氧化,合金與rGO之間的相互作用有利于傳質(zhì)過程。同時,我們還研究了在rGO中摻入20%的表面氧化的多壁碳納米管(o-MWCNTs)作為載體負載Pt納米顆粒。所制備的Pt/rGO-20%o-MWCNTs催化劑表現(xiàn)出很好的甲醇氧化催化活性,其主要原因是適量摻雜o-MWCNTs可以促進傳質(zhì)過程的進行及減少反應過程中石墨烯的堆疊。本論文具體內(nèi)容如下:第1章前言簡單介紹了燃料電池工作原理、分類及特點,詳細介紹了DMFC反應機理、陽極催化劑及常用的催化劑載體材料,同時介紹了DMFC的研究現(xiàn)狀及發(fā)展瓶頸。此外還陳述了本論文主要的研究內(nèi)容。第2章實驗部分本章介紹了在實驗過程中所使用的儀器、試劑及主要實驗和表征方法。第3章合金雙金屬PtIr原子級橋式協(xié)同催化甲醇氧化反應用溶劑熱法將超小的二元PtIr合金納米顆粒直接生長在rGO上,并首次將其作為催化劑用于甲醇氧化反應。實驗結(jié)果表明Pt4Ir1/rGO催化劑具有較大的峰電流密度,分別是Pt/rGO和商業(yè)化Pt/C催化劑的1.5倍和2.6倍,在甲醇氧化反應中也表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。Pt4Ir1/rGO催化劑所表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能主要歸因于Pt-Ir合金形成原子橋作用,使得Ir表面形成的-OH可以通過原子橋作用促進Pt表面吸附的CO進一步發(fā)生氧化反應,這種作用降低了催化劑CO中毒的風險并且促進了甲醇電化學氧化過程;同時高導電的rGO也會積極地提高催化劑的活性。本章提供了一種用來制備低Pt載量但高性能的催化劑的簡便方法,并將該催化劑應用于直接甲醇燃料電池陽極催化。第4章基于rGO-o-MWCNTs復合載體的鉑納米甲醇氧化電催化劑首先將多壁碳納米管表面氧化,隨后將鉑納米顆粒均勻的沉積在o-MWCNTs與rGO的復合載體表面,從而制備出Pt/rGO-o-MWCNTs催化劑。實驗過程中通過調(diào)節(jié)rGO與o-MWCNTs之間的比例,制備出不同碳納米管與石墨烯比例的復合碳載體催化劑。實驗結(jié)果表明Pt/rGO-20%o-MWCNTs催化劑表現(xiàn)出最好的甲醇氧化催化活性。該催化劑活性的提高來源于適量摻雜的碳納米管,有效地提高了石墨烯層與層之間的電荷傳輸。此外,石墨烯片層之間的碳納米管能夠有效地抑制石墨烯的堆積,保持石墨烯的多孔結(jié)構(gòu),有利于電化學反應過程中傳質(zhì)過程的進行,從而提高其催化活性。相比于商業(yè)化的Pt/C催化劑,我們制備的催化劑穩(wěn)定性也有顯著的提高。這主要歸因于rGO-o-MWCNTs復合載體表面存在著許多缺陷位點,這些缺陷位點可以作為Pt的遷移與再次聚集的成核位點,避免了Pt在電化學過程中生長為更大的顆�；蛉芙獾诫娊赓|(zhì)中,從而提高了催化劑的穩(wěn)定性。第5章結(jié)論與展望本章對本文的研究進行總結(jié)并對今后工作做出展望。
【學位單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：O643.36;TB383.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 燃料電池
        1.1.1 燃料電池的特征
        1.1.2 燃料電池工作原理及分類
    1.2 直接甲醇燃料電池
        1.2.1 直接甲醇燃料電池的工作原理
        1.2.2 DMFC的研究現(xiàn)狀
    1.3 DMFC陽極催化劑
        1.3.1 Pt基催化劑
        1.3.2 非Pt基催化劑
    1.4 催化劑載體材料
        1.4.1 碳黑
        1.4.2 碳納米管
        1.4.3 石墨烯
    1.5 本論文立題依據(jù)和主要研究內(nèi)容
        1.5.1 本論文立題依據(jù)
        1.5.2 本論文主要研究內(nèi)容
第2章 實驗部分
    2.1 實驗試劑及儀器設備
        2.1.1 實驗主要試劑
        2.1.2 實驗儀器與設備
    2.2 研究方法
        2.2.1 實驗測試過程中所需溶液的配制
        2.2.2 電極的打磨及制備方法
        2.2.3 電化學測試方法
        2.2.4 材料合成方法
    2.3 材料表征
        2.3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)
        2.3.2 透射電子顯微鏡(TEM)
        2.3.3 X射線衍射儀(XRD)
        2.3.4 X射線光電子能能譜儀(XPS)
        2.3.5 電化學工作站
第3章 合金雙金屬PtIr原子級橋式協(xié)同催化甲醇氧化反應
    3.1 引言
    3.2 催化劑的制備方法
        3.2.1 氧化石墨烯的制備
        3.2.2 PtIr/rGO催化劑的制備
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 所制備催化劑的形貌
        3.3.2 所制備催化劑的成分
        3.3.3 所制備催化劑對催化甲醇氧化反應的活性
        3.3.4 所制備催化劑的催化穩(wěn)定性
        3.3.5 PtIr/rGO催化劑催化活性的比較
        3.3.6 催化機理討論
    3.4 本章小結(jié)
第4章 基于rGO-o-MWCNTs復合載體的鉑納米甲醇氧化電催化劑
    4.1 引言
    4.2 催化劑的制備
        4.2.1 氧化石墨烯的制備
        4.2.2 MWCNTs的表面氧化處理
        4.2.3 Pt/rGO-o-MWCNTs的制備
    4.3 結(jié)果與討論
        4.3.1 o-MWCNTs結(jié)構(gòu)
        4.3.2 所制備催化劑的形貌與組成
        4.3.3 Pt/rGO-o-MWCNTs催化活性的比較
        4.3.4 Pt/rGO-20% o-MWCNTs催化劑對催化甲醇氧化的活性
        4.3.5 Pt/rGO-20% o-MWCNTs催化劑的催化穩(wěn)定性
        4.3.6 催化機理分析
    4.4 本章小結(jié)
第5章 結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 展望
參考文獻
致謝
碩士期間科研情況

【參考文獻】

相關博士學位論文 前2條

1 張連營;直接甲酸燃料電池高性能Pd電催化劑的制備及其催化行為的研究[D];西南大學;2014年

2 聶明;WC增強燃料電池貴金屬催化劑催化性能的研究[D];重慶大學;2007年

本文編號：2827707