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直接甲醇燃料电池阳极Pt基催化剂可控合成及性能研究

初园园  
【摘要】:直接甲醇燃料电池(DMFC)因其具有能量密度高、环境友好、携带方便等突出优点而被广泛研究,但其催化剂的活性低、成本高、寿命短,这些缺点已经成为其实用化的主要障碍。本文针对这些突出问题,在提高催化剂的活性、稳定性以及降低其成本等方面开展了基础研究工作。 用微波辅助乙二醇工艺制备了Pt/C催化剂。优化了Pt/C催化剂的制备工艺,分析了不同反应条件及微波加热时间对催化剂性能的影响。实验结果表明,pH值会影响溶液中保护剂的存在形式,影响Pt胶体粒子的稳定性和担载性。当反应溶液pH值为12、连续微波加热时间为40 s时,制备的催化剂的电化学活性面积和Pt的利用率最高,对甲醇的电催化氧化活性也最好。而微波加热时间会影响Pt成核与晶核成长过程及产物的粒径。利用优化的制备工艺,合成了介孔碳载Pt催化剂,与商业Pt/C催化剂相比,所合成的催化剂的稳定性和对甲醇氧化的催化活性显著提高。 为提高催化剂的抗毒化能力,制备了PtRu/C催化剂。实验结果表明:当反应溶液pH值为8,连续微波加热时间为50 s时,PtRu/C催化剂表现出最佳的电催化氧化活性,在此条件下催化剂中Pt与Ru的原子分散性最好。若溶液的pH值过高时,则Ru~(3+)容易生成氢氧化钌沉淀,其溶解度大大降低,被还原的速率下降,使PtCl_6~2和Ru~(3+)的还原速率差别增大,导致产物中n(Pt)∶n(Ru)偏离设定的比值;而pH值过低时,则合成的催化剂的粒径过大,性能下降。根据PtRu/C催化剂经过热处理前后组成与性能的差别,探究了水合氧化钌的重要作用,证明了PtRu/C催化剂中Ru主要以水合RuO_2形式存在,而水合RuO_2具有较好的抗腐蚀性能,且具有优良的质子、电子导电能力,大大提高了甲醇在PtRu/C催化剂上电氧化的反应活性。与上述PtRu/C催化剂相比,具有核壳结构的Ru@Pt-skin/C催化剂,因其表面富含Pt,不但增加了Ru与Pt接触界面,充分发挥Ru的“双功能机理”作用,还使Pt的d带中心负移,加强Pt、Ru之间电子的相互作用,降低Pt与CO_(ads)之间的吸附能;此外Ru@Pt-skin/C壳层的Pt抑制了Ru的溶解,提高了催化剂的稳定性。 为提高催化剂的活性和稳定性以及降低催化剂的成本。合成了多种新型结构PtPd催化剂。用聚电解质PVP作为保护剂,合成了主要以截角八面体形态存在的PtPd纳米晶合金催化剂。与PtPd/C固溶体合金催化剂相比,该纳米晶抗CO毒化性能明显提高,有效地抑制了催化剂颗粒的长大和团聚。但是,合金态PtPd纳米晶催化剂中的Pd容易被氧化,使催化剂的稳定性下降。通过阴阳离子的静电自组装方法制备了多孔空心球层-层结构PtPd/C催化剂,其特殊的层-层结构有效地抑制PtPd/C催化剂中Pd在工作情况下氧化溶解,提高了催化剂稳定性,同时提高了催]化剂的活性。由于多孔空心球层-层结构PtPd/C催化剂中Pd的存在改变了甲醇氧化的反应途径,使甲酸电氧化过程中不经过中间产物“·COOH”这一中间过程,直接生成CO_2,降低了反应活化能,加快了反应进程。为了进一步提高催化剂的稳定性,合成了PtPd/C纳米线催化剂,其交错的一维纳米线结构有效地控制了Pt粒子的长大、团聚,还有效地抑制了催化剂淹埋于碳载体微孔中,从而提高了催化剂的利用率。 催化剂稳定性除了与其自身的组分、微观结构和形貌等因素有关外,还与催化剂载体的稳定性密切相关,本文对催化剂中载体的稳定性进行了研究。首次采用自制的CeO_2与商业XC-72作为混合载体合成高活性Pt/CeO_2-C催化剂,CeO_2与XC-72载体之间的相互作用提高了载体抗腐蚀能力,顺利实现了Pt粒子优先沉积在CeO_2与碳相接触界面上,充分发挥CeO_2与Pt之间的协同效应。研究表明:Pt/CeO_2-C催化剂的电化学性能随着混合载体中CeO_2含量的增加而先提高后降低,当混合载体中CeO_2含量为20%时,Pt/CeO_2-C催化剂的电催化活性最高,过多的CeO_2会覆盖Pt活性位使其电化学活性面积减小,因而降低其催化性能。为了进一步降低催化剂的制备成本、提高CeO_2导电性,利用β-环糊精在介孔CeO_2表面原位碳化,先形成碳层包覆介孔CeO_2的混合载体后再沉积Pt粒子,既实现了Pt与CeO_2充分接触,也解决了CeO_2导电性较差而影响催化剂的性能这一难题。研究表明:Pt/C-CeO_2催化剂的电化学性能随着混合载体中所包覆的碳含量的增大而先提高后降低,当包覆40%碳时,Pt/C-CeO_2催化剂的电催化性能最高,过多的碳会阻碍Pt与CeO_2相接处,影响两者之间的协同作用。此外,与XC-72碳载体相比,β-环糊精碳化所得到的碳富有更多的含氧物种,不仅有利于Pt的沉积,还对Pt颗粒起到一定的锚定作用,防止其迁移、团聚,提高了催化剂的稳定性。


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