本文關(guān)鍵詞：碳納米管負(fù)載PdNi和PdNiCo復(fù)合納米催化劑的制備及其對(duì)乙醇氧化的電活性

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【摘要】：燃料電池被認(rèn)為是21世紀(jì)高效、清潔、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)。研究非Pt的Pd基催化劑對(duì)燃料電池陽(yáng)極催化劑的研究具有重要的理論與實(shí)際意義。考慮到非貴金屬Ni和Co等對(duì)乙醇氧化顯示出一定的催化活性,因此本論文在Pd催化劑制備過程中加入Ni和Co,制備復(fù)合納米催化劑,并對(duì)它們進(jìn)行物理表征和電催化活性研究。(1)分別在EDTA,甘氨酸(Gly)和木質(zhì)素磺酸鈉(Ls)存在下,以硼氫化鈉為還原劑,將Pd~(2+)還原為Pd納米顆粒并負(fù)載在多壁碳納米管(MWCNT)表面。采用掃描電鏡(SEM),透射電鏡(TEM)和X射線粉末衍射(XRD)對(duì)納米Pd催化劑的形貌和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:EDTA存在時(shí),所形成的Pd納米顆粒(Pd-EDTA/MWCNT)的粒徑更小,在MWCNT上的分散度更高。采用循環(huán)伏安(CV)和計(jì)時(shí)伏安技術(shù)(CA),研究了催化劑在堿性環(huán)境中對(duì)乙醇的電催化活性。在堿性溶液中對(duì)乙醇氧化的電化學(xué)研究表明:在Pd-EDTA/MWCNT催化劑上,乙醇氧化反應(yīng)的起始電位較低,電流密度最大,電子傳遞阻力較小,反應(yīng)速率較大,并且對(duì)乙醇氧化的電催化活性保持穩(wěn)定。(2)采用傳統(tǒng)的化學(xué)還原法,以硼氫化鈉為還原劑,MWCNT為載體,制備了不同比例的Pd-Ni/MWCNT和Pd-Ni-Co/MWCNT納米催化劑。TEM測(cè)試結(jié)果表明催化劑的粒徑大小集中在5 nm,在乙醇溶液中的循環(huán)伏安測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)Pd:Ni/(NiCo)=8:2時(shí),催化劑對(duì)乙醇電氧化反應(yīng)的催化活性最好,催化劑Pd_8(NiCo)_2/MWCNT和Pd_8Ni_2/MWCNT存在下最大電流密度分別為159.2m A·cm~(-2)和133.9 m A·cm~(-2)。在對(duì)催化劑Pd/MWCNT、Pd_8(NiCo)_2/MWCNT和Pd_8Ni_2/MWCNT的計(jì)時(shí)電流對(duì)比中,催化劑Pd_8(NiCo)_2/MWCNT的電流密度明顯大于另外兩種催化劑,3種催化劑都有較好的穩(wěn)定性。在交流阻抗分析中,催化劑Pd_8(NiCo)_2/MWCNT的阻抗值均比Pd/MWCNT和Pd_8Ni_2/MWCNT的阻抗值低,也表明在乙醇的催化氧化過程中,催化劑Pd_8(NiCo)_2/MWCNT表現(xiàn)出較低的電荷轉(zhuǎn)移阻抗值、較大的電化學(xué)氧化速率和較好的催化活性。(3)通過原位還原法制備了Pd負(fù)載量極低的Pd納米顆粒。首先采用化學(xué)還原法將Ni負(fù)載在MWCNT上形成納米Ni/MWCNT催化劑。在Ni/MWCNT催化劑中按不同比例逐滴加入Pd Cl2溶液,Pd~(2+)在Ni/MWCNT催化劑表面原位還原成Pd納米顆粒。采用掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射(XRD)和X射線光電子能譜(XPS)對(duì)所合成的納米催化劑(Pd4.1Ni1/MWCNT,Pd3.7Ni1/MWCNT和Pd1.3Ni1/MWCNT)進(jìn)行表征,并對(duì)催化劑在堿性溶液中的電催化活性進(jìn)行了測(cè)試。與同等條件下以Na BH4為還原劑制備的純Pd催化劑對(duì)比,以原位還原法制備的Pd-Ni/MWCNT催化劑具有更低的Pd含量,對(duì)乙醇氧化有更強(qiáng)的電催化性能。在循環(huán)伏安測(cè)試中,Pd3.7Ni1/MWCNT催化劑正向掃描的氧化峰達(dá)到130.9m A·cm~(-2)·μg(Pd)-1,是Pd/MWCNT正向氧化峰的11倍多。(4)采用化學(xué)還原法,以水合肼為還原劑,在水和乙醇的混合溶液中制備負(fù)載于多壁碳納米管(MWCNT)上的納米鎳(Ni/MWCNT)和納米鎳鈷(Ni-Co/MWCNT)顆粒,然后將它們分別與氯化鈀溶液反應(yīng),形成的鈀納米顆粒原位沉積在MWCNT表面,得到MWCNT負(fù)載的Pd-Ni/MWCNT和Pd-Ni-Co/MWCNT催化劑。SEM和TEM圖像顯示,MWCNT表面上的催化劑顆粒是由5~10 nm的小顆粒團(tuán)聚而成的30~100 nm的大顆粒,三金屬催化劑的粒徑比雙金屬的粒徑小,在MWCNT上的分散度更高,結(jié)合ICP和EDS測(cè)試顯示,Pd直接還原并包覆在納米鎳和納米鎳鈷表面;采用循環(huán)伏安和計(jì)時(shí)電流技術(shù),研究了催化劑在堿性溶液中對(duì)乙醇氧化的電催化活性,結(jié)果表明,三金屬催化劑Pd-Ni-Co/MWCNT對(duì)乙醇氧化具有強(qiáng)的電催化活性,乙醇氧化對(duì)應(yīng)的峰電流密度達(dá)101.8 m A·cm~(-2),并且催化劑催化活性穩(wěn)定。
【關(guān)鍵詞】：直接醇燃料電池 Pd基催化劑 乙醇電氧化 電催化氧化
【學(xué)位授予單位】：湖南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 燃料電池的概述13-21
• 1.2.1 FC的工作原理14
• 1.2.2 FC的分類14-21
• 1.3 直接醇燃料電池21-23
• 1.4 直接乙醇燃料電池23-27
• 1.4.1 DEFC主要面臨的問題23-25
• 1.4.2 直接醇燃料電池的催化劑25-27
• 1.4.2.1 Pt基催化劑25-26
• 1.4.2.2 Pd基催化劑26-27
• 1.4.2.3 其他催化劑27
• 1.5 本論文的研究工作27-29
• 1.5.1 研究意義27-28
• 1.5.2 主要目標(biāo)28
• 1.5.3 研究?jī)?nèi)容28
• 1.5.4 研究方法28-29
• 第二章 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器29-33
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器29-30
• 2.2 催化劑的物理表征30-31
• 2.2.1 催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)表征30-31
• 2.2.2 等離子發(fā)射光譜分析31
• 2.2.3 X射線光電子能譜分析31
• 2.3 電化學(xué)性能測(cè)試31-33
• 2.3.1 電極制備31
• 2.3.2 電化學(xué)測(cè)試31-33
• 第三章 配位體對(duì)鈀納米催化劑的形成及其電活性的影響33-47
• 3.1 引言33-34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器34
• 3.3 實(shí)驗(yàn)部分34
• 3.3.1 多壁碳納米管的預(yù)處理34
• 3.3.2 催化劑的制備34
• 3.3.3 樣品測(cè)試34
• 3.4 結(jié)果與討論34-45
• 3.4.1 催化劑的形貌特征34-37
• 3.4.2 催化劑在NaOH空白溶液中的循環(huán)伏安特性37-38
• 3.4.3 催化劑對(duì)乙醇氧化的電活性38-45
• 3.5 結(jié)論45-47
• 第四章 化學(xué)法制備鈀基催化劑及其電活性47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分47-48
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與設(shè)備47-48
• 4.2.2 催化劑的制備48
• 4.2.3 工作電極的制備48
• 4.3 結(jié)果討論48-57
• 4.3.1 催化劑的表征48-51
• 4.3.2 催化劑的電化學(xué)活性測(cè)試51-57
• 4.3.2.1 催化劑在NaOH空白溶液中的循環(huán)伏安特性51-53
• 4.3.2.2 催化劑對(duì)乙醇氧化反應(yīng)的催化活性53-55
• 4.3.2.4 計(jì)時(shí)電流分析55-56
• 4.3.2.5 交流阻抗分析56-57
• 4.4 結(jié)論57-59
• 第五章 原位還原法制備低Pd含量及高電化學(xué)活性的Pd-Ni雙金屬納米催化劑59-75
• 5.1 前言59-60
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分60-61
• 5.2.1 催化劑的制備:60-61
• 5.2.2 測(cè)試61
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論61-72
• 5.3.1 催化劑的形貌表征61-63
• 5.3.2 催化劑的XRD測(cè)試63-64
• 5.3.3 催化劑的XPS測(cè)試64-65
• 5.3.4 催化劑在NaOH溶液中的循環(huán)伏安測(cè)試65
• 5.3.5 催化劑對(duì)乙醇氧化反應(yīng)的電催化活性65-72
• 5.4 結(jié)論72-75
• 第六章 碳納米管上原位沉積鈀-鈷-鎳納米顆粒及其對(duì)乙醇氧化的電活性75-89
• 6.1 引言75
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分75-76
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器75-76
• 6.2.2 催化劑的制備76
• 6.2.3 樣品測(cè)試76
• 6.3 結(jié)果與討論76-87
• 6.3.1 催化劑的物理表征76-80
• 6.3.2 催化劑的循環(huán)伏安測(cè)試80-82
• 6.3.3 催化劑的計(jì)時(shí)電流分析82-87
• 6.4 結(jié)論87-89
• 第七章 結(jié)論與展望89-93
• 7.1 結(jié)論89-91
• 7.2 展望91-93
• 參考文獻(xiàn)93-105
• 致謝105-107
• 附錄（文章和專利等）107-108

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：891390