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Pt系金属催化剂制备及其电催化性能研究

唐亚文  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有比能量高、清洁、使用安全方便、结构简单等优点,在便携式电源和车载电源等领域具有广泛的应用前景。目前PEMFC的性能与商业化的要求仍有较大的差距。主要问题之一是阴、阳极催化剂性能仍然有待提高。因此,研究高性能阴、阳极催化剂是PEMFC研究中的一个重要课题。 本文以Pt系金属催化剂的制备、结构和性能之间的相互关系为研究内容。主要研究内容分为两个部分:碳载Pt金属催化剂的制备及其对电催化性能的影响;Pd及Pd基金属催化剂的制备及其对甲酸氧化、氧气还原电催化性能的影响。主要研究结果如下: 1.利用甲醇作为溶剂,SnCl2为还原剂,通过有机溶胶方法制备了具有不同粒径的Pt/C催化剂,并研究了不同粒径Pt/C催化剂对甲醇氧化、乙醇氧化和氧气还原的电催化性能。该方法与Bonnemann方法相比,原料易得,制备过程简单可行。同时,研究表明,通过控制反应温度,能够有效控制Pt/C催化剂中Pt粒子的粒径。X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)照片显示出,当溶剂的挥发温度是65、60、50、40和30℃时,获得的Pt/C催化剂中Pt粒子的粒径分别为2.2、3.2、3.8、4.3和4.8 nm。X射线光电子能谱(XPS)研究显示,随着Pt粒子粒径减小,Pt粒子更容易被氧化。电化学研究显示:对于甲醇氧化、乙醇氧化和氧气还原,其最佳的粒径分别为3.8、3.2和3.2 nm。 2.在水/四氢呋喃/乙醇混合溶剂中,分别利用Vulcan XC-72活性碳粉(XC-72)、单壁(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)作为载体,制备了Pt/XC-72、Pt/SWNTs和Pt/MWNTs催化剂。TEM和XPS测量显示碳载体材料的类型强烈影响着负载Pt纳米粒子(Pt-NPs)的形貌和电子结构。电化学研究表明,在三种催化剂中,Pt/SWNTs对甲醇氧化显示出最大的电流密度、最低的起始氧化电位和最好的稳定性。这说明SWNTs是直接甲醇燃料电池理想的催化剂载体。 3.通过使用乙二胺四乙酸二钠(EDTA)作为配位剂和稳定剂,制备了直接甲酸燃料电池(DFAFC)阳极碳载Pd金属催化剂(Pd/C)。该方法简单可行,制备得到的Pd/C催化剂中,Pd粒子的平均粒径为2.1 nm,并且拥有非常良好的分散度和均一性。电化学研究显示,通过该方法得到的Pd/C催化剂对甲酸氧化显示出优异的电催化活性和稳定性。 4.室温条件下,在水/四氢呋喃(THF)混合溶剂中制备得到碳载Pd-Fe催化剂(Pd-Fe/C)。制得的Pd-Fe/C催化剂包含两种形态Fe:合金态和非合金态。合金形态的Fe很难溶于0.5 mol·L-1 H2SO4,而非合金形态的Fe却很容易溶解于0.5mol·L-1H2SO4。电化学测试表明,经过酸处理的Pd-Fe/C催化剂的氧还原活性比未经酸处理的催化剂活性高,这说明非合金形态的Fe抑制了Pd-Fe/C催化剂的电催化活性;而合金形态的Fe提高Pd-Fe/C催化剂的氧还原活性。其原因很有可能是因为合金态的Fe原子能够导致Pd原子表面电子结构或者是Pd-Fe/C催化剂的Pd-Pd键长的改变。 5.利用乙醇作为溶剂、自磷作为还原剂制备了高P含量的Pd-P/C催化剂。在获得的催化剂中Pd和P的原子比为100:23,有大约三分之一的P以Po的形式存在。P元素能够进入Pd的晶格,形成了Pd-P合金。合金化的P可以降低Pd的3d电子密度,减弱CO的吸附强度,减少H和CO的吸附。Pd 3d电子密度的降低抑制了甲酸通过甲酸盐途径氧化;CO吸附强度的降低抑制了甲酸通过CO途径的氧化;H和CO吸附量的减少增加了Pd的活性表面。因此,合金化的P可以促进甲酸通过直接途径氧化,Pd-P/C催化剂对甲酸氧化的活性和稳定性均优于Pd/C催化剂。 6.通过液相还原法分别在含有和不含有四氢呋喃的水溶液中制备出不同合金化程度的碳载Pd-Au(Pd-Au/C)催化剂。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)研究发现在水溶液制得的Pd-Au/C催化剂的合金化程度远低于在水和四氢呋喃的混合溶液中制备的Pd-Au/C催化剂。这表明在制备Pd-Au/C催化剂的过程中,四氢呋喃的加入能够显著提高Pd-Au纳米粒子的合金化程度。电化学测试结果表明Pd-Au/C催化剂对甲酸氧化的电催化活性与Pd-Au纳米粒子的合金度有关。合金化程度较高的Pd-Au/C催化剂对甲酸氧化的电催化活性和稳定性要好于合金化程度较低的Pd-Au/C催化剂,这是由于合金化程度较高的催化剂在甲酸电氧化过程中抗CO毒化能力提高,并且有效抑制了甲酸脱水的过程。 7.使用聚乙二醇作为模板,通过共还原方法制备了Pd-Co双金属空心纳米球。TEM显示出Pd-Co空心纳米球的直径约80 nm,球壳厚度约9 nm。电化学研究显示出Pd-Co双金属空心纳米球催化剂对甲酸的电催化性能要明显优于类似的Pd和Pd-Co实心球催化剂,这可能归结于Pd-Co双金属空心球独特的物理化学性质,如内部微纳结构、特殊的电子性质等,从而有效促进了甲酸氧化的脱氢途径。


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