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《河南师范大学》 2014年
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负载型钯纳米催化剂的可控合成及电催化性能的研究

严辉颖  
【摘要】:燃料电池作为一种新型清洁能源,具有高效、安全、可再生、环境友好等优点,备受世人关注。然而燃料电池的商业化仍然受一些因素的制约,如贵金属催化剂昂贵的价格,因此,提高贵金属利用率、降低贵金属用量成为当前的研究重点之一。金属纳米颗粒的大小、形态以及在载体上的分散性受到载体的影响,因而高效的催化剂要选择合适的载体。碳纳米管(CNTs)因具有特殊的表面结构、良好的导电性、热稳定性和化学稳定性而成为燃料电池金属催化剂载体的良好选择。但是碳纳米管具有固有的化学惰性,金属纳米颗粒很难直接沉积在其表面。于是人们通常采用强酸氧化法在其表面引入官能团,使其表面功能化。然而强酸氧化过程会损坏碳纳米管的结构,使其机械强度、耐腐蚀性和整体导电性降低。因此,用新的方法将金属颗粒沉积在载体表面并对其尺寸和分散性进行调控,而不影响载体的固有性质成为该领域的研究热点。考虑到催化剂电催化氧化燃料时,容易受CO类似物的影响,氧化物能够促进CO类似物的氧化或者移除,释放贵金属的活性位点,因而氧化物成为催化剂载体的另一选择。 本论文通过合成方法和催化剂结构创新,对载体表面负载Pd纳米颗粒进行可控合成,进而制备高效的Pd基催化剂,并研究了它们的形貌、结构和组成以及对甲酸和乙醇电氧化的催化性能。论文主要内容如下: (1)介绍了燃料电池的发展概况,综述了燃料电池催化剂的制备方法及研究进展;并介绍了本论文的选题依据,研究内容和方法。 (2)根据配位化学基本原理,我们选取草酸钠为添加剂对Pd纳米颗粒进行可控合成,采用简单的常温常压还原法制备了多壁碳纳米管负载的Pd催化剂。该催化剂中Pd纳米颗粒分散性好,尺寸均匀,平均粒径为5.6nm,且对甲酸进行电催化氧化时,电流密度高达140mA/cm2,明显高于强酸氧化处理碳纳米管而得到的对照催化剂(Pd/AO-MWCNTs,约为90mA/cm2),同时还表现出更好的稳定性。 (3)根据π-π共轭效应和配位化学理论,我们以系列含苯环类有机物(包括:邻氨基苯甲酸、邻苯二胺、水杨酸、邻苯二酚、邻苯二甲酸)为添加剂,对Pd纳米颗粒进行可控合成,采用常温常压还原法制备了系列多壁碳纳米管负载的Pd催化剂,研究了苯环邻位上-COOH,-NH2和-OH的不同组合对Pd纳米晶的尺寸、分散性的影响规律,同时还研究了该系列催化剂对甲酸氧化的催化性能规律,发现此规律与以上规律相一致,即良好影响效果按以下次序递减:NH2/COOHNH2/NH2 COOH/OH OH/OH COOH/COOH,即苯环邻位上-NH2和-COOH组合时合成的Pd纳米颗粒分散性最好,尺寸最小,对甲酸电氧化的催化性能最好。 (4)根据螯合效应,我们以谷氨酸为添加剂可控合成了Pd纳米颗粒,采用溶剂热法制备了树枝状三氧化二铁负载的Pd催化剂。该催化剂中Pd纳米颗粒具有好的分散性,均一的尺寸,平均粒径为4.6nm。在此催化剂制备过程中,降低了Pd的用量,并且由于三氧化二铁有助催化作用,该催化剂对乙醇的电催化氧化表现出较高的质量活性,为450.8mA/mg Pd,明显高于Pd/XC-72(359.9mA/mg Pd)和商业JM20%Pt/C (144.0mA/mg Pd)催化剂。 上述研究表明:采取以上新的合成方法对载体表面负载Pd纳米颗粒进行可控合成,不但合成条件温和,不会影响载体固有性质,而且很好地调控了Pd纳米颗粒的分散性和尺寸,使其具有良好的催化性能。本论文不仅为负载型催化剂在燃料电池中的实际应用提供了实验依据,而且对认识催化剂的构效关系有重要理论意义。
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:O643.36;TB383.1

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