隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,傳統(tǒng)化石燃料與環(huán)境保護之間的矛盾日益尖銳,潛在的能源短缺危機使得清潔高效新能源的研發(fā)迫在眉睫。燃料電池和氫能是近年來受到人們廣泛關(guān)注的清潔綠色能源。其中,直接甲醇燃料電池（Direct methanol fuel cell,DMFC）具有能量密度高、操作簡單、工作溫度低、攜帶方便等優(yōu)點,已成為未來能源存儲和轉(zhuǎn)換設備的有前途的候選者。同時在各種生產(chǎn)氫氣的技術(shù)中,電解水制氫具有操作簡單、技術(shù)成熟等諸多優(yōu)點受到了研究者們的廣泛關(guān)注。在DMFC和電解水制氫技術(shù)中,高效的催化劑的設計是關(guān)鍵。大量研究結(jié)果表明:貴金屬鉑和鉑基催化劑是目前DMFC和電解水制氫技術(shù)中最有效的催化劑。然而,鉑的高成本、低儲量和低耐久性極大地阻礙了其大規(guī)模的商業(yè)應用。針對以上背景,本文做了以下三個方面的工作。（1）以氮摻雜碳量子點（Nitrogen-doped carbon quantum dots,N-CQDs）為基礎,采用兩步還原法合成了以Au納米粒子為核,N-CQDs為中間層,Pd納米粒子為殼的三層核殼結(jié)構(gòu)（Core-shell）的金屬復合納米材料（Au@N-CQDs@Pd）。研究結(jié)果表明... 

【文章來源】：西北師范大學甘肅省

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

PEMFC工作原理圖[7]

1緒論41.2.2甲醇氧化反應（MOR）介紹直接甲醇燃料電池（Directmethanolfuelcell，DMFC）具有燃料儲存方便、安全可靠、能量密度大和綠色環(huán)保等優(yōu)點[10]，在不遠的將來有望替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù)[11]，是最有前景的替代能源技術(shù)之一，在便攜式電源和車用動力電源中極受歡迎。DMFC的原理圖如圖1-2所示[12]。圖1-2DMFC的工作原理圖[12]。Fig.1-2SchematicoperationprincipleofDMFC[12].甲醇在催化劑的作用下在陽極發(fā)生氧化反應轉(zhuǎn)換為CO2、質(zhì)子和電子。CO2在電解質(zhì)的協(xié)助下從陽極出口排除。質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜在陰極一邊，電子經(jīng)由外電路做功形成電流后到達陰極，在催化劑的作用下與氧氣發(fā)生還原反應形成水。DMFC的電極反應如下：陽極：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e（1-1）陰極：3/2O2+6H++6e→3H2O（1-2）總反應：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O（1-3）由于Pt在甲醇催化氧化中性能良好，直接甲醇燃料電池使用最多的催化劑為Pt基催化劑。在DMFC中，甲醇在陽極的完全氧化是一個復雜的多步反應[13]，其催化機理目前仍有待研究與考證，甲醇的電化學氧化主要有兩個過程有[14,15]：（1）甲醇的吸附和經(jīng)反復脫氫生成CO等中間物質(zhì)；（2）吸附的CO等中間產(chǎn)物被Pt表面的含氧物質(zhì)（如-OH，由水電解生成）

1緒論5氧化生成CO2。具體反應機理如下：CH3OH+Pt→Pt(CH3OH)ads（1-4）Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-5）Pt(CO)ads+H2O→Pt+CO2+2H++2e（1-6）圖1-3模擬催化劑表面上甲醇發(fā)生催化氧化反應步驟示意圖[15]。Fig.1-3Schematicdiagramofthecatalyticoxidationreactionofmethanolonthecatalystsurface[15].從示意圖中可以看到，在氧化過程中所生成的含碳中間產(chǎn)物CO未被及時氧化生成CO2會吸附在Pt的表面，占據(jù)催化位點使Pt催化劑產(chǎn)生中毒，從而降低催化活性和穩(wěn)定性[16]。為了解決這個問題，可以將Pt與另一種過渡金屬結(jié)合到一起，不僅可以降低Pt的用量達到降低成本的目的，同時還能有效提高對甲醇的催化活性和抗CO中毒能力[17]。此外，將其與氧化物結(jié)合也會產(chǎn)生相同的效果[18]。目前，人們對性能提高的原因可以從以下兩種機理進行解釋：（1）雙功能機理[19]，是指加入過渡金屬后形成的復合催化劑可以在較低的電位下使水分子分解產(chǎn)生羥基（-OH），這些-OH會加快吸附在Pt表面的CO向CO2的轉(zhuǎn)化速率。（2）電子調(diào)變機理[20]。加入第二種金屬通過改變Pt的d能帶狀態(tài)和費米能級能量來改變Pt的電子性能，破壞Pt表面與CO之間的相互作用，達到提高催化活性和穩(wěn)定性的目的。加入過渡金屬M后其反應原理如下：Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-7）M+H2O→MOHads+H++e（1-8）Pt(CO)ads+MOHads→Pt+M+CO2+H++e（1-9）

【參考文獻】：
期刊論文
[1]燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 囤金軍,宋金香.  中國科技信息. 2020(Z1)
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[3]電化學獲獎人優(yōu)秀論文專輯序言[J]. 孫世剛.  電化學. 2018(05)
[4]直接甲醇燃料電池碳載鉑基電催化劑的研究進展[J]. 李慶剛,張新恩,劉碩.  材料導報. 2015(S1)
[5]從登月火箭到手機電池 燃料電池分類[J].   數(shù)字通信. 2006(02)

博士論文
[1]AuPt雙金屬納米粒子合成及電催化性能研究[D]. 盧立娟.重慶大學 2018
[2]鉑—釕電催化劑中助劑釕的形態(tài)及穩(wěn)定性研究[D]. 馬俊紅.大連理工大學 2010



本文編號：2929430