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金属氧化物对Pt上CO及甲醇电氧化助催化机理的研究

苑慧萍  
【摘要】:目前对以金属氧化物作为载体或助催化剂的燃料电池阳极催化剂的研究还处于起步阶段,金属氧化物如何提高Pt催化氧化甲醇及CO动力学还未形成公认的理论解释。本论文重点研究了不同种类的金属氧化物作为助催化剂对Pt电催化氧化甲醇及CO活性的影响,并详细分析了催化剂结构、氧化物种类等因素的影响规律,为设计制备新型催化剂提供了理论和实验依据。 本论文以金属氧化物包覆碳纳米管作载体,再负载Pt纳米颗粒,制备了Pt/MO_2/CNTs催化剂(M = Ti,Ce,Sn),结构或物理性能表征表明,Pt颗粒大小相近,与金属氧化物接触良好,有利于发挥协同作用。在酸性溶液中,添加的金属氧化物不同程度地提高了Pt催化剂对甲醇电氧化的催化活性。电化学阻抗谱表明,研究的三种金属氧化物通过提供含氧物种,促进甲醇氧化中间产物在低电位下氧化,氧化速率会因金属氧化物的种类不同而发生变化。 对CO电氧化动力学的研究表明,加入的金属氧化物能加速催化剂表面OH的产生速率,促进CO电氧化的起始氧化电位和峰电位向低电位方向移动。Pt/MO_2/CNTs催化剂上CO电氧化的反应机理为:在低电位下,CO与金属氧化物提供的OH等含氧物种反应,CO氧化在Pt/MO_2界面处发生,并伴随CO的扩散。在高电位下,Pt上大量产生OH_(ads),一定程度阻碍了CO的扩散,CO主要与Pt-OH_(ads)反应。将金属氧化物表面含氧基团的特性与CO电氧化峰对比研究结果表明,CO_(ads)与MO_2-OH_(ads)的氧化反应中,金属氧化物的碱性越强,二者反应的峰电位越低,氧化物表面提供的OH的速率或含量越高,二者反应的峰电量越大。 采用电化学方法对Pt/MO_2/CNTs催化剂在酸溶液中稳定性进行研究,我们发现金属氧化物的锚定作用使Pt颗粒在酸溶液中的稳定性增强,金属氧化物在酸中会发生微溶解而改变其形貌。在电化学作用下,溶解的金属离子与Pt电极的相互作用,同样能够增强CO在Pt上的电氧化活性。


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