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WP_x/碳复合材料增强甲醇氧化和氧气还原性能的研究

张春月  
【摘要】:近年来,随着科技、经济等的飞速发展与进步,人们对能源需求不断增加,因此化石能源的储量逐年降低,并日渐枯竭。且化石类能源燃烧的过程中会排放出大量的NO_x、SO_X、CO_2等有害气体,对我们的生存环境造成严重的影响。因此,对于新能源的开发已经迫在眉睫。直接甲醇燃料电池(DMFC)具有甲醇资源丰富、易于存储和运输、价格低廉、能量密度高、操作简便和零排放等优点,被认为是理想的化石类能源的替代品。DMFC的工作效率主要取决于两个重要反应:甲醇氧化反应(MOR)和氧还原反应(ORR)。因此,开发能够促进这两种反应的高效催化剂势在必行。由于Pt在MOR与ORR中的不可替代性,本文主要从研究并制备直接甲醇燃料电池阳极和催化剂载体出发,得到具有高稳定性的MOR和ORR助催化活性的Pt基载体。本研究选择了具有类似Pt特性的过渡金属磷化物中的磷钨化合物(WP和WP_2)为对象,并用X射线衍射仪(XRD),X射线光电子能谱(XPS),透射电子显微镜(TEM)等考察了所制备载体及催化剂材料的物理和化学特征,同时使用循环伏安法(CV),计时电流法(CA),旋转圆盘电极(RDE)等电化学测试研究了其MOR与ORR电化学性能。在这项研究中,通过一步合成路线合成了WP-CL/AEG复合材料作为MOR/ORR中P的载体/助催化剂。对于MOR,Pt-WP-CL/AEG-3(前体中P与AEG的摩尔比为3.6)显示出最高的电化学表面积(123.05 mA mg_(Pt)~(-1))和质量活性(2217.6mA mg-1Pt),分别是商用Pt/C(64.16 mA mg~(-1)_(Pt)和499.2 mA mg_(Pt)~(-1))的1.92倍和4.44倍。Pt-WP-CL/AEG催化剂表现出比Pt/C更高的CO耐受性和稳定性。此外,Pt-WP-CL/AEG-3在酸性介质中也显示出比Pt/C更高的ORR活性,其主要表现出ORR的4e-转移途径(OH-作为主要产物)。在整个反应过程中,AEG大大提高了Pt-WP-CL/AEG催化剂的电荷转移能力;W原子在WP上诱导的暴露P活性位点促进了MOR/ORR过程中甲醇/O_2的吸附和活化;来自柠檬酸的CL可以保护WP免受空气中的氧化,有助于P活性位点的高活性和稳定性;电荷通过连接的CL从AEG(带正电)转移到WP,然后从WP转移到Pt,这有助于Pt-WP-CL/AEG的高MOR/ORR活性。此外,采用通过溶液自组装和高温碳化的方法合成了WP_2/C复合材料,并通过硼氢化钠还原法制备出了Pt-WP_2/C复合材料。电化学测试结果表明Pt-WP_2/C-900具有最优异的MOR性能,包括好的ECSA为68.35m~2 g_(Pt)~(–1),卓越的质量活性为609.4mA mg_(Pt)~(–1),优异的电化学稳定性。同时,Pt-WP_2/C-900和Pt-WP_2/C-950具有和Pt/C相近的ORR性能,经计算得到Pt-WP_2/C-900和Pt-WP_2/C-950催化剂在氧还原过程中,主要经由四电子转移过程,有效地提高了电池的能源转换效率。WP_2在MOR以及ORR中都起到了助催化的作用,WP_2粒子参与的过程中成功的提高了MOR与ORR的速率。同时,Pt粒子在碳载体上均匀的分散能够充分地暴露Pt的活性位点,充分地提高了Pt的催化效率。


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