本文關(guān)鍵詞：直接甲醇燃料電池鉑基陽(yáng)極電催化劑的研究

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【摘要】：由于甲醇具有能量密度高、低污染、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn),直接甲醇燃料電池在電動(dòng)汽車(chē)和可移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注。然而甲醇氧化所需的催化劑往往成本過(guò)高,催化活性較低,一直制約著燃料電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。目前人們將提高催化劑的活性和利用率、降低Pt的用量作為直接甲醇燃料電池研究的重點(diǎn)目標(biāo)。大量研究表明,將貴金屬納米顆粒均勻分散負(fù)載在具有優(yōu)異導(dǎo)電能力和大比表面積的碳載體上是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要途徑之一。本文以碳納米管(CNTs)和石墨烯(Graphene)為催化劑載體,通過(guò)不同的合成方法實(shí)現(xiàn)貴金屬顆粒在碳材料表面的小尺寸和高度分散,并分別對(duì)催化劑的形貌結(jié)構(gòu)以及在甲醇氧化中的催化性能進(jìn)行研究。本論文具體的研究工作如下：(1)利用p-環(huán)糊精(p-CD)對(duì)CNTs進(jìn)行功能化修飾,其中β-CD可作為金屬離子的還原劑和原始CNTs的分散劑,通過(guò)一步水熱合成法制備不同Pt/Rh原子比(npt/nRh)的PtRh/p-CD-CNTs催化劑。對(duì)合成材料的結(jié)構(gòu)、組成和微觀形貌進(jìn)行表征,并在電化學(xué)工作站上測(cè)試催化劑對(duì)甲醇氧化的催化性能和穩(wěn)定性。結(jié)果表明作為分散劑和還原劑的p-CD有利于通過(guò)原位還原得到高分散和小粒徑的PtRh納米粒子。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示npt/nRh值為1的Pt1Rh1/β-CD-CNTs催化劑具有優(yōu)異的甲醇氧化電催化性能。(2)通過(guò)陰離子聚合物聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)對(duì)CNTs進(jìn)行非共價(jià)功能化修飾形成PSS-CNTs,并以其為載體,制備出不同Pt/Ce原子比(npt/nce)比例的Pt-CeO2/PSS-CNTs。利用拉曼光譜(Raman)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、能譜圖(EDS)對(duì)催化劑的結(jié)構(gòu)組成、形貌進(jìn)行表征。采用循環(huán)伏安法(CV)、計(jì)時(shí)電流法(CA)測(cè)試技術(shù)考察催化劑在甲醇氧化中的電化學(xué)性能,并與Pt-CeO2/CNTs、商用E-TEK PtRu/C催化劑進(jìn)行比較。TEM結(jié)果表明Pt納米粒子負(fù)載在PSS-CNTs表面比在原始CNTs上呈現(xiàn)更好的分散性和更小的平均粒徑。與Pt-CeO2/CNTs和E-TEK PtRu/C相比較,發(fā)現(xiàn)npt/nCe值為2/3時(shí)Pt-CeO2/PSS-CNTs催化劑對(duì)甲醇的電催化氧化有更高的催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性。(3)以石墨烯納米片(Graphene nanosheets, GNs)為碳載體,首先利用簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)合成Mn304納米棒／石墨烯復(fù)合物,再通過(guò)微波合成儀輔助乙二醇還原H2PtCl6,制備Pt/Mn3O4/GNs復(fù)合催化劑。通過(guò)XRD、TEM、EDS等技術(shù)手段對(duì)催化劑進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)的表征,再利用CV、CA測(cè)試方法對(duì)甲醇氧化的電催化活性及穩(wěn)定性進(jìn)行考察,并與Pt/GNs、商用E-TEK PtRu/C催化劑進(jìn)行比較。基于Pt與Mn304之間的協(xié)同作用,Pt/Mn3O4/GNs催化劑與Pt/GNs和E-TEK PtRu/C相比具有更大的ESA值,更高的質(zhì)量比活性、面積比活性和電化學(xué)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 甲醇氧化 電催化劑 碳納米管 石墨烯
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 燃料電池概述12-15
• 1.1.1 燃料電池基本工作原理12-13
• 1.1.2 燃料電池的特點(diǎn)13-14
• 1.1.3 燃料電池的分類(lèi)14-15
• 1.1.4 燃料電池的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用15
• 1.2 直接甲醇燃料電池(DMFC)15-21
• 1.2.1 直接甲醇燃料電池的工作原理16
• 1.2.2 直接甲醇燃料電池的發(fā)展與應(yīng)用16-17
• 1.2.3 直接甲醇燃料電池面臨的技術(shù)難題17-19
• 1.2.4 直接甲醇燃料電池中陽(yáng)極催化劑的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3 直接甲醇燃料電池催化劑碳載體21-25
• 1.3.1 炭黑21-22
• 1.3.2 碳納米管22-23
• 1.3.3 石墨烯23-24
• 1.3.4 其它碳載體24-25
• 1.4 本課題選擇的意義和內(nèi)容25-26
• 第2章 一步法合成PtRh/β-CD-CNTs催化劑及其對(duì)甲醇氧化的電催化研究26-39
• 2.1 前言26-28
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分28-31
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品28
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器28-29
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)所需的溶液29
• 2.2.4 催化劑材料與電極的制備29-30
• 2.2.5 催化劑表征及其對(duì)甲醇氧化的電催化研究30-31
• 2.3 結(jié)果與討論31-38
• 2.3.1 PtRh/β-CD-CNTs的紅外表征31
• 2.3.2 PtRh/β-CD-CNTs的熱重表征31-32
• 2.3.3 PtRh/β-CD-CNTs的阻抗分析32-33
• 2.3.4 PtRh/β-CD-CNTs的形貌結(jié)構(gòu)表征33-34
• 2.3.5 PtRh/β-CD-CNTs的電化學(xué)性能研究34-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第3章 Pt-CeO_2/PSS-CNTs催化劑的制備及其對(duì)甲醇氧化的電催化性能研究39-50
• 3.1 前言39-40
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分40-42
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品40
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器40
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)所需溶液40
• 3.2.4 催化劑材料與電極的制備40-41
• 3.2.5 催化劑表征及其對(duì)甲醇氧化的電化學(xué)性能研究41-42
• 3.3 結(jié)果與討論42-49
• 3.3.1 PSS-CNTs材料的拉曼光譜表征42
• 3.3.2 Pt-CeO_2/PSS-CNTs和Pt-CeO_2/CNTs的XRD表征42-43
• 3.3.3 Pt-CeO_2/PSS-CNTs和Pt-CeO_2/CNTs的TEM和EDAX分析43-45
• 3.3.4 Pt-CeO_2/PSS-CNTs催化劑的電化學(xué)性能研究45-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第4章 Pt/Mn_3O_4/GNs催化劑的制備及其對(duì)甲醇氧化的電催化研究50-60
• 4.1 前言50-51
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分51-53
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品51
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器51-52
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)所需的溶液52
• 4.2.4 催化劑材料與電極的制備52-53
• 4.2.5 催化劑的表征及其對(duì)甲醇氧化的電催化性能測(cè)試53
• 4.3 結(jié)果與討論53-59
• 4.3.1 Mn_3O_4/GNs的形貌表征53-54
• 4.3.2 Pt/Mn_3O_4/GNs和Pt/GNs的形貌表征54-56
• 4.3.3 Pt/Mn_3O_4/GNs和Pt/GNs的XRD表征56
• 4.3.4 Pt/Mn_3O_4/GNs對(duì)甲醇氧化的電化學(xué)性能研究56-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 結(jié)論60-61
• 參考文獻(xiàn)61-76
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄76-77
• 致謝77

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本文編號(hào)：787847