本文關鍵詞：直接乙醇燃料電池陽極鈀銅納米催化劑的制備及電化學性能研究

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【摘要】：直接乙醇燃料電池(Direct Ethanol Fuel Cell,DEFC)是以乙醇作為燃料的新型低溫燃料電池。DEFC具有燃料來源豐富、清潔無污染、能量轉化率高、攜帶和儲存方便等優(yōu)點,是一類非常有前景的綠色能源。目前,DEFC陽極常使用鉑基金屬材料作為催化劑,但是鉑存在價格昂貴、儲量稀少和易毒化等問題,嚴重限制了DEFC的商業(yè)化發(fā)展。因此,尋找非鉑類催化劑來取代鉑基催化劑成為廣受關注的研究熱點。鈀具有同鉑相似的性質,價格低于鉑,而且在堿性介質中對乙醇的氧化具有比鉑更高的催化活性及穩(wěn)定性。因此,為了降低催化劑的生產成本,同時提高催化活性和穩(wěn)定性,開發(fā)堿性直接乙醇燃料電池(ADEFC)中鈀基催化劑的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本論文以降低貴金屬的用量、提高催化劑的性能為目標,分別從形貌調控、碳材料(炭黑和碳納米管)負載等方面對鈀銅催化劑進行研究,探討了鈀銅納米催化劑的制備和作為燃料電池陽極催化劑的電化學性能。取得的主要結果如下:(1)利用溶劑熱還原法,在乙二醇(EG)溶液中,僅通過KOH/EG濃度的調控分別制備了Pd-Cu合金類球狀、納米棒狀和納米線網(wǎng)狀結構,并通過X-射線衍射光譜(XRD)、能量散射光譜(EDS)和透射電子顯微鏡(TEM)等儀器對催化劑的組成、物相結構和表面形貌等進行了表征。分析結果表明,所合成的三種形貌催化劑的分散性都比較良好,沒有出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象;通過循環(huán)伏安法(CV)考察了催化劑的電催化活性和穩(wěn)定性。測試結果表明,在堿性介質中與商業(yè)Pd/C相比,所合成的三種形貌催化劑催化乙醇氧化的活性及穩(wěn)定性都有很大的提高,其中Pd-Cu合金類球狀的催化性能最好,其次是納米棒狀和納米線網(wǎng)狀。(2)通過離子液體對炭黑表面進行修飾后,采用NaBH4還原法制備了多孔碳載Pd-Cu復合催化劑(Pd-Cu/C)。XRD、EDS和TEM結果表明,Pd和Cu之間形成了合金,且合金顆粒較小、分散程度較高;電化學性能測試表明,在堿性條件下Pd-Cu/C復合催化劑催化乙醇氧化的活性是商業(yè)Pd/C的3.1倍。此外,僅通過增大還原劑濃度,制備得到三種不同組成的碳載Pd-Cu復合催化劑(Pd_xCu_y/C)。TEM表征結果顯示,Pd_xCu_y/C催化劑具有較小的納米顆粒和良好的分散效果;電化學測試結果表明,在堿性介質中Pd_xCu_y/C催化劑催化乙醇氧化的性能都有較大提高,其中Pd1Cu1/C的催化性能最好。(3)以表面活化的碳納米管作為載體,應用一步溶劑熱法制備了碳納米管負載Pd-Cu合金催化劑(Pd-Cu/CNTs)。利用SEM、TEM、XRD和EDS對催化劑的形貌、組成以及結構進行了表征,并采用循環(huán)伏安法、計時電流法(CA)對催化劑的催化性能進行了分析。結果表明:Pd-Cu合金納米顆粒在碳納米管上均勻分布,沒有發(fā)生明顯團聚;在堿性介質中,合成的Pd-Cu/CNTs催化材料催化乙醇氧化的活性及穩(wěn)定性明顯高于商業(yè)Pd/C。
【關鍵詞】：直接乙醇燃料電池 鈀銅合金催化劑 乙醇氧化 催化活性和穩(wěn)定性
【學位授予單位】：華僑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-25
• 引言10
• 1.1 燃料電池概述10-14
• 1.1.1 燃料電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀10-11
• 1.1.2 燃料電池的特點11-13
• 1.1.3 燃料電池的分類13-14
• 1.1.4 燃料電池的發(fā)展與應用14
• 1.2 直接乙醇燃料電池（DEFC）14-17
• 1.2.1 DEFC的簡介14-15
• 1.2.2 DEFC的工作原理15-16
• 1.2.3 DEFC的研究狀況及存在問題16-17
• 1.3 直接乙醇燃料電池陽極催化劑17-23
• 1.3.1 DEFC陽極催化劑的研究進展17-18
• 1.3.2 DEFC陽極催化劑的制備方法18-20
• 1.3.3 Pd基催化劑對乙醇氧化的催化機理20-21
• 1.3.4 DEFC陽極催化劑載體21-23
• 1.4 本論文的選題思路及研究內容23-25
• 第2章 實驗部分25-31
• 2.1 實驗試劑與儀器25-26
• 2.1.1 實驗試劑25-26
• 2.1.2 實驗儀器26
• 2.2 催化劑的物性表征26-27
• 2.2.1 透射電子顯微鏡26-27
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡及電子能譜27
• 2.2.3 X-射線衍射分析27
• 2.3 催化劑的電化學性能測試27-31
• 2.3.1 電極體系27-28
• 2.3.2 工作電極的制備28
• 2.3.3 循環(huán)伏安測試28-29
• 2.3.4 計時電流測試29-31
• 第3章 形貌可控Pd-Cu納米合金的制備及電催化性能研究31-45
• 3.1 引言31-32
• 3.2 形貌可控Pd-Cu納米合金的制備32-33
• 3.3 形貌可控Pd-Cu合金催化劑的物理表征33-38
• 3.3.1 形貌可控Pd-Cu合金樣品物相分析33-34
• 3.3.2 Pd-Cu合金樣品的形貌和微結構分析34-38
• 3.4 形貌可控Pd-Cu合金的電催化性能研究38-40
• 3.4.1 Pd-Cu合金催化劑對乙醇氧化的催化活性38-40
• 3.4.2 Pd-Cu合金催化劑對乙醇氧化的催化穩(wěn)定性40
• 3.5 不同摩爾投料比Pd-Cu合金的制備及電催化性能比較40-42
• 3.5.1 不同摩爾投料比Pd-Cu合金的制備及物相分析40-41
• 3.5.2 不同摩爾投料比Pd-Cu合金的電催化性能比較41-42
• 3.6 本章小結42-45
• 第4章 多孔碳載鈀銅復合催化劑的制備及電化學性能研究45-61
• 4.1 引言45-46
• 4.2 多孔碳載Pd-Cu復合催化劑的制備46
• 4.3 多孔碳載Pd-Cu復合催化劑的物理表征46-48
• 4.3.1 Pd-Cu/C復合催化劑的物相分析46-47
• 4.3.2 Pd-Cu/C復合催化劑的形貌分析47-48
• 4.4 Pd-Cu納米顆粒的形成影響因素48-52
• 4.4.1 離子液體（IL）對顆粒負載量的影響48-50
• 4.4.2 還原劑濃度對顆粒組成及其粒徑的影響50-52
• 4.5 多孔碳載Pd-Cu復合催化劑的電化學性能研究52-59
• 4.5.1 Pd-Cu/C催化劑與商業(yè)Pd/C對乙醇氧化的催化性能比較52-56
• 4.5.2 有無IL參與合成的Pd-Cu/C催化劑對乙醇氧化的催化性能比較56-57
• 4.5.3 不同組成的Pd-Cu/C復合材料對乙醇氧化的催化性能比較57-59
• 4.6 本章小結59-61
• 第5章 Pd-Cu/CNTs催化材料的制備及電化學性能研究61-69
• 5.1 引言61
• 5.2 Pd-Cu/CNTs催化材料的制備61-62
• 5.3 Pd-Cu/CNTs催化材料的物理表征62-65
• 5.3.1 Pd-Cu/CNTs的物相分析62-63
• 5.3.2 Pd-Cu/CNTs的形貌分析63-65
• 5.4 Pd-Cu/CNTs催化材料的電化學表征65-67
• 5.4.1 Pd-Cu/CNTs電催化氧化乙醇活性65-67
• 5.4.2 Pd-Cu/CNTs電催化氧化乙醇穩(wěn)定性67
• 5.5 本章小結67-69
• 第6章 總結與展望69-71
• 6.1 總結69-70
• 6.2 展望70-71
• 參考文獻71-77
• 致謝77-79
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文和研究成果79

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