收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

燃料电池铂基催化剂的制备与阴极氧还原性能的研究

张立波  
【摘要】:近年来,大量开采使用化石能源对环境产生了一定的威胁,造成了一定程度的环境污染,得到了人们的高度重视。为了解决当前面临的环境污染问题,开发新能源,寻找好的能量转换装置成为了人们研究的重点。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其高能量转换效率,高电流密度和低污染等优点,受到了人们越来越多的关注。然而,氧还原反应(ORR)的动力学在燃料电池阴极上进行的很慢,需要我们寻找合适的催化剂去提高催化反应效率。目前,PEMFC中使用的高活性催化剂主要是贵金属Pt,Pt的储量少,价格高,同时在电极上的载量较高,这些因素极大地限制了燃料电池在商业领域的应用。而目前即使已经商业化的催化剂,仍然要面对稳定性差和铂利用率低的问题。因此,设计并开发低Pt载量、高催化活性的Pt基催化剂,是当前刻不容缓的任务。目前为了解决催化剂中存在的问题,设计的催化剂主要有非铂催化剂、铂纳米颗粒催化剂、铂合金纳米颗粒、核壳型铂合金及大尺寸八面体合金催化剂。而其中核壳结构和铂合金纳米颗粒催化剂已经得到证实是一种大幅度提升Pt利用率、降低合成成本且易于批量化的有效措施。本论文的研究工作主要设计并合成了两种核壳结构和两种有序化合金催化剂,为高效燃料电池Pt催化剂提供了理论参考以及可行的制备方法。本论文的研究主要包括以下4个方面:1、以Pd基催化剂为研究背景,首先合成并进一步修饰了 PdFe/C内核,去掉了表面多余的Fe元素,暴露出更多的Pd元素,同时提高了内核的稳定性,而对内核的修饰又可以明显增加表面Pt的催化活性位点。随后利用了微波辅助还原法进行载Pt,制备了 PdFe@Pt催化剂。经过物理表征,所合成的PdFe@Pt和M-PdFe@Pt催化剂粒径较小,同时均匀地分布在了碳载体上;而负载了 Pt原子后,所得到的PdFe纳米粒子的粒径有所增大,从侧面证明了 Pt原子的成功负载。电化学测试说明了所合成的PdFe@Pt和M-PdFe@Pt催化剂ORR活性均优于目前的商业JM Pt/C催化剂,这是由于Fe与Pd的协同效应可以提升催化剂的催化活性,同时用弱酸对PdFe核进一步修饰,去掉了表面多余的Fe原子,增加了稳定性和Pt的活性位点。最终得到的M-PdFe@Pt/C催化剂展示出了良好的应用前景。优异的催化活性主要归功于制备的催化剂颗粒尺寸小,具备的核壳修饰结构及表面电子特性的改变。2、以Pd为核,制备了 Pd@Pt核壳结构催化剂。首先采用常温硼氢化钠法合成了 Pd/C核,接着利用改进的微波加热辅助法制备了核壳结构Pd@Pt催化剂。然后,利用过渡金属Au和Cr对Pd@Pt的壳层进行了表面和近表面的掺杂,得到了高活性且稳定性良好的Au-Pd@Pt和Cr-Pd@Pt催化剂。通过物理表征,表明了所合成的催化剂纳米尺寸较小,分散均匀。通过电化学表征,表明了所制备的修饰过后的Au-Pd@Pt和Cr-Pd@Pt的催化氧化还原性能均高于Pd@Pt/C和JM Pt/C。设计合成的两种表面稳定、对表面和近表面进行了修饰的核壳结构Pd@Pt催化剂,这种修饰的壳层可以有效保护内核,而Pd的内核又可以很好地调控外层Pt的电子结构特性,从而来提高催化剂的ORR活性和稳定性。这种表面和近表面的掺杂可以明显地提高催化剂的催化活性,展现出了良好的开发潜力。3、以PtCo有序结构催化剂为研究背景,对有序化PtCo/C催化剂实行了表面修饰。首先通过浸渍还原法和程控煅烧法合成了 Pt和Co比例为1:1的有序化PtCo/C催化剂,随后用过渡金属Au和Cr修饰了其表面。采取了表面自发置换法合成了 Au-PtCo/C有序化催化剂,采取了常温硼氢化钠法制备了 Cr-PtCo/C有序化催化剂。通过物理表征可以得到,掺杂过后的催化剂对有序化结构影响不大,保留了原有的有序化结构。通过表面掺杂得到的Cr-PtCo/C和Au-PtCo/C催化剂显示出了优异的ORR催化活性。这是由于掺杂过后的催化剂拥有更多的催化活性位点及减弱了反应过程中的亲氧能是提高催化ORR性能的主要原因。而Au的加入能提高PtCo的抗氧化电势,从而提高其稳定性。而根据最外层电子轨道排布,Au和Cr都可以为Pt提供电子,从而改变表面Pt原子的电子特性,从而提高ORR催化活性。4、以PtCo有序化催化剂为研究背景,对有序化PtCo/C催化剂的结构进行了改进。第三种金属的元素加入可以更好的调控表面Pt原子的电子结构和提高催化剂稳定性。首先采取引入不同比例的Cu原子进入到Pt-Co有序化合金体系中的方法,制备了 PtCoxCu1-x/C系列催化剂。Cu元素的引入可以更好地调控催化剂表面的电子结构,所制备的PtCoxCu1-x/C系列催化剂拥有良好的ORR催化活性。而当Co:Cu=3:1的时候,得到了最佳的催化活性。这种良好的催化活性归功于第三种金属Cu的引入和有序化结构的形成。同时催化剂的合成方法易于操作,合成产物稳定,具备应用和批量化的潜力。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前17条
1 黄朝蔚;;催化剂活性影响因素的探讨[J];科技创新导报;2014年18期
2 王承学;龚杰;;二氧化碳加氢甲烷化镍锰基催化剂的研究[J];天然气化工(C1化学与化工);2011年01期
3 陈锡荣,张伟,闫一凡,张艳霞,郑竞成;钛系聚酯催化剂的研究进展[J];化工进展;2005年05期
4 新型;;山西煤化所燃料电池催化剂设计研究取得进展[J];化工新型材料;2019年11期
5 付长亮;王利平;王少鹏;王宇飞;张峻炜;;钇掺杂钌催化剂的制备及其催化对硝基甲苯加氢制对甲基环己胺[J];精细石油化工;2020年02期
6 王鉴;吴霞;张健伟;;两种铬系催化剂的制备及催化乙烯聚合性能研究[J];精细化工中间体;2020年02期
7 田坤;杨胜飞;吴晓荣;欧阳建梅;阳新锋;;二氧化硫氧化制硫酸用钒催化剂的研究进展[J];广州化工;2020年14期
8 黄昱琪;梁雪莲;谢建榕;刘志铭;林国栋;张鸿斌;;一种环己醇催化脱氢制环己酮用高效新型催化剂[J];厦门大学学报(自然科学版);2015年02期
9 腾娜;任清华;那海宁;朱锦;;聚合物纤维固载型催化剂的制备与应用研究[J];高分子通报;2015年08期
10 武克瑞;;催化剂与催化作用[J];中学化学教学参考;1978年04期
11 吕彦杰;催化剂工业的业务转变[J];国际化工信息;2002年11期
12 马红钦,谭欣,朱慧铭,张鎏,张晓军;新型无铬高变催化剂的研究开发[J];工业催化;2002年06期
13 叶红梅;;电感耦合等离子体发射光谱法测定钌炭催化剂中的钌[J];能源化工;2019年05期
14 张湉;句梦娇;高海龙;张嘉俊;胡瑞珏;苏海全;;介孔催化剂用于合成气制低碳醇的研究进展[J];当代化工研究;2020年03期
15 本刊编辑部;;一种制备稀土顺丁橡胶的催化剂的制备方法[J];橡胶科技;2020年03期
16 李纲;;新型孔雀石型1,4-丁炔二醇催化剂的开发[J];辽宁化工;2020年04期
17 孟凡亮;喻小伟;杜延伟;王元雷;王继松;冯前伟;杨用龙;;蜂窝式催化剂与平板式催化剂的运行现状分析[J];清洗世界;2020年04期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 张贺新;董博;胡庆娟;张春雨;白晨曦;张学全;;高效制备超高分子量聚乙烯用钛系催化剂的研究[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题A:高分子合成[C];2013年
2 张斌;葛会宾;谷晓敏;梁浩杰;覃勇;;原子层沉积设计金属-氧化物多界面串联催化剂[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第十五分会:表界面结构调控与催化[C];2016年
3 向银域;施良;屈德宇;李俊升;唐浩林;;基于离子液体前驱体的一种高效非金属三维有序大孔氮掺杂氧还原催化剂的制备[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第二十九分会:电化学材料[C];2016年
4 ;助剂对催化剂活性影响的探究[A];中国职协2015年度优秀科研成果获奖论文集(中册)[C];2015年
5 徐辉;王光应;刘江峰;江厚兵;李林朝;;蜂窝式低温脱硝催化剂的煅烧温度对催化性能的影响[A];2016燃煤电厂超低排放形势下SCR脱硝系统运行管理及氨逃逸监测、空预器堵塞与低温省煤器改造技术交流研讨会论文集[C];2016年
6 徐辉;王光应;刘江峰;江厚兵;李林朝;;蜂窝式低温脱硝催化剂的煅烧温度对催化性能的影响[A];2016清洁高效燃煤发电技术交流研讨会论文集[C];2016年
7 刘荣;叶飞;管昊;贡湘君;;立方相纳米氧化锆基催化剂脱硝机理研究[A];第十八届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2014年
8 谈文芳;刘志坚;殷喜平;;发展催化剂不催生环境污染[A];第十六届全国分子筛大会论文集[C];2011年
9 潘兆德;王宏悦;蔡亮;胡文培;刘坤;;高活性耐硫变换催化剂的研制[A];第六届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2009年
10 那丽华;曹丽辉;张春雨;蔡洪光;张学全;;新型钒系催化剂催化乙烯—丙烯共聚合研究[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2009年
11 李和兴;李辉;霍宇凝;朱建;;催化剂微观结构调控及构效关系研究[A];第七届全国催化剂制备科学与技术研讨会论文集[C];2009年
12 陈诵英;杨迎超;;结构催化剂的发展和应用[A];第七届全国催化剂制备科学与技术研讨会论文集[C];2009年
13 贾志轩;朱志华;袁明法;赫崇衡;于筛成;;镍钴基耐高温催化剂的研究[A];中国化工学会2008年石油化工学术年会暨北京化工研究院建院50周年学术报告会论文集[C];2008年
14 于振兴;付红英;郑伟;张晓丽;吴虹;张宇航;范雪蕾;徐文龙;张平;;稀土金属在低碳烷烃芳构化催化剂上的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
15 陈磊;翁端;司知蠢;吴晓东;;高性能CeO_2-WO_3-TiO_2催化剂的制备及脱硝性能研究[A];第十八届全国稀土催化学术会议论文集[C];2011年
16 李振国;马杰;刘双喜;杨春清;张旺;;过渡金属对V_2O_5/WO_3-TiO_2 SCR催化剂催化性能的影响[A];第十八届全国稀土催化学术会议论文集[C];2011年
17 周红军;潘兆德;刘晨光;;器外预硫化技术在钴钼系耐硫变换催化剂中的应用[A];全国化肥工业技术交流会论文资料集[C];2004年
18 孟辉;沈培康;;氧在碳化钨增强的铂碳催化剂上还原(英文)[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集(上集)[C];2005年
19 刘亚纯;贾丽涛;石利红;陈建刚;房克功;孙予罕;;费托合成钴催化剂的研究[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年
20 徐人威;刘东兵;王世波;毛炳权;;球形氯化镁负载非茂催化剂催化乙烯聚合研究[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 张立波;燃料电池铂基催化剂的制备与阴极氧还原性能的研究[D];北京化工大学;2020年
2 杨建;多巴胺掺杂的多元碳基催化剂设计与氧还原性能研究[D];河南大学;2016年
3 罗凡;低温燃料电池高活性高稳定性铂基催化剂的研究[D];华南理工大学;2015年
4 郭志军;燃料电池用碳气凝胶载铂基催化剂的制备与表征[D];北京交通大学;2011年
5 王轶;单组分负载化苯氧亚胺催化剂的原位制备和乙烯聚合研究[D];浙江大学;2016年
6 李俊峰;氧化铈基催化剂的制备及催化氧化性能的研究[D];华东理工大学;2012年
7 黄健;费托合成高性能钴基催化剂的研究[D];华东理工大学;2017年
8 周子健;锰基低温催化剂氧化烟气中单质汞的机理研究[D];华中科技大学;2017年
9 周双;铜基和锌基二甲醚水蒸气重整制氢催化剂[D];天津大学;2016年
10 戴宇;锰基催化剂上含氯挥发性有机化合物的催化燃烧[D];华东理工大学;2012年
11 张舒乐;V_2O_5-WO_3/TiO_2及其F掺杂催化剂的制备、脱硝特性与应用研究[D];南京理工大学;2013年
12 田新龙;基于过渡金属氮化物氧还原催化剂的制备及其氧还原性能研究[D];华南理工大学;2016年
13 侯吉妃;碳基催化剂的制备及其催化过硫酸盐降解水中芳香族污染物的研究[D];南京大学;2018年
14 杨兵;绿色高效循环催化剂的环境友好制备与应用[D];山东师范大学;2016年
15 牛晓巍;柴油车尾气四效催化剂的制备与表征[D];吉林大学;2010年
16 田鹏飞;钯基催化剂用于过氧化氢直接合成的活性位探究[D];华东理工大学;2017年
17 李文泽;碳一化学品转化反应及催化剂的研究[D];东北大学;2011年
18 欧阳李科;氢氧直接合成过氧化氢钯基催化剂构—效关系研究[D];华东理工大学;2015年
19 黄一波;含氟硫脲有机催化剂的制备及应用[D];南京理工大学;2012年
20 吴自力;负载型氮化钼催化剂上简单的分子吸附和活化的红外光谱研究[D];中国科学院大连化学物理研究所;2001年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 谢玄;高性能非贵金属碳基催化剂的制备及氧还原性能研究[D];西北师范大学;2020年
2 成利丰;直接甲醇燃料电池阴极碳载钯基催化剂的研究[D];东北师范大学;2008年
3 林永龙;基于生物分子构建非贵金属燃料电池氧还原催化剂的研究[D];深圳大学;2017年
4 尤勇;基于聚酰亚胺高性能非贵金属氧还原催化剂的研究[D];南京大学;2016年
5 王晓冉;铂基三元催化剂的制备及催化氧还原性能研究[D];北京化工大学;2020年
6 任灿灿;基于掺杂效应改善燃料电池催化剂电化学性能研究[D];聊城大学;2017年
7 柳璐;铁基双金属/氮共掺杂碳催化剂的制备及其电催化氧还原性能[D];太原理工大学;2016年
8 洪国泰;乙炔氢氯化金催化剂开发及应用研究[D];浙江大学;2016年
9 陈春晓;添加剂对VO_x-WO_x/TiO_2催化剂催化燃烧氯苯性能影响的研究[D];武汉工程大学;2012年
10 龚杰;二氧化碳加氢甲烷化镍锰基催化剂的研究[D];长春工业大学;2011年
11 刘强;低浓度苯低温净化用金催化剂的研究[D];北京工业大学;2001年
12 刘静;氮掺杂碳封装铂基催化剂及其氧还原反应性能[D];武汉理工大学;2019年
13 杨戊戌;铈系催化剂的制备及其催化臭氧化性能研究[D];中国矿业大学;2016年
14 武明杰;非贵金属多孔碳氧还原催化剂的制备、特性及机理研究[D];东华大学;2017年
15 于宝云;多元钯基催化剂的制备及其燃料电池应用研究[D];齐鲁工业大学;2016年
16 王杰祥;锰基氧化物脱硝催化剂的制备及性能研究[D];昆明理工大学;2014年
17 郭明奇;钴基多相催化剂催化环己酮氧化制备ε-己内酯的研究[D];湖南大学;2012年
18 赵文忠;焦炉煤气氨分解催化剂的应用研究[D];天津大学;2009年
19 黄华;镍金属催化剂芳烃加氢抗硫性的研究[D];湖南师范大学;2004年
20 支林轩;乙炔氢氯化低汞催化剂的稳定性评估方法及制备工艺研究[D];浙江工业大学;2015年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 记者 杜华斌;一种以铁为主的新制药催化剂问世[N];科技日报;2009年
2 记者 阮越才;夜市,文创园的催化剂?[N];绍兴日报;2020年
3 刘伟;新型催化剂为燃煤“减负”[N];中国科学报;2013年
4 本报记者 徐徐 季佳歆;充满活力的“催化剂”[N];中国石化报;2020年
5 本报记者 刘芳芳;新型催化剂让硫黄装置清洁开车[N];中国石化报;2019年
6 本报记者 王巧然 通讯员 徐岩;炼化催化剂国产化亟待提速[N];中国石油报;2019年
7 本报记者 陈茴茴;好课题既是“黏合剂”也是“催化剂”[N];音乐周报;2020年
8 施灵芝 陈平轩;“三条规矩”保供催化剂[N];中国石化报;2019年
9 赵熙熙;廉价催化剂实现“光合作用”[N];中国科学报;2017年
10 健康时报记者 董颖钰 实习记者 孔天骄;人工增雪催化剂不影响健康[N];健康时报;2019年
11 记者 江耘 实习生 洪恒飞 通讯员 柯溢能;新型催化剂可将制氢成本降低80%[N];科技日报;2019年
12 记者 王静;光敏蛋白催化剂让二氧化碳具还原能力[N];中国科学报;2018年
13 木禾;志愿服务是推进创文最好的催化剂[N];梅州日报;2019年
14 本报记者 李欣忆;让主题教育成为企业发展的“催化剂”[N];四川日报;2019年
15 记者 张智;志愿服务做创文攻坚最好的“催化剂”[N];滨海时报;2019年
16 记者 陈姝;5G将成智慧城市催化剂[N];深圳商报;2019年
17 记者 丁瑜;打造世界一流的催化剂公司[N];岳阳日报;2019年
18 本报记者 张心怡;5G是推动智能化各要素发展的催化剂[N];中国电子报;2019年
19 曹西京 高超;把催化剂销往20余个国家和地区[N];中国石化报;2018年
20 汪东旭;莫让“礼尚往来”成腐败“催化剂”[N];重庆日报;2018年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978