丙醇在铂纳米空球修饰玻碳电极上电催化氧化行为的研究

【摘要】： 燃料电池由于具有能量转化效率高、污染小等优点而成为电催化的一个重要研究方向。而直接醇类燃料电池由于具有安全、燃料价格低廉,省去了氢气重整的烦锁,具有非常诱人的发展前景。 目前价格昂贵的贵金属铂催化剂仍然是直接醇类燃料电池最好的催化剂,而铂催化剂的一个致命弱点是容易受到CO的吸附而引起催化剂中毒,且其纳米粒子和其它纳米材料一样,因比表面积大、表面能高而容易团聚失活。因此,如何提高铂的活性与稳定性,减少其用量以降低成本,提高铂催化剂的抗中毒性能仍然是一项具有挑战性的课题。人们已研制了以铂为基础,加入其他金属(如Ru、Sn、Mo等)或金属氧化物(如WO3)组成的二元、三元复合催化剂。随着近年来的研究发现,金属纳米空心(如空球、空管等)材料具有结构稳定,催化活性高,使用寿命长等独特的物理和化学性质,在光学,电学,磁学及催化等领域具有广泛的应用前景。因此,近年来不同尺度和形状的纳米管、纳米空球等纳米材料的可控合成倍受人们的关注。 丙醇作为有机小分子,也是直接醇类燃料电池的理想燃料,而目前的研究主要集中在甲醇,乙醇方面,相对于丙醇的研究比较少。因此,本论文合成铂纳米空球,构建铂纳米空球修饰电极,开展了正丙醇和异丙醇在铂纳米空球修饰玻碳电极(H-Pt /GC)上的电催化氧化行为,并与N-Pt/GC和B-Pt/GC电极对正丙醇和异丙醇的电催化氧性能进行了比较,主要开展了以下几个方面的工作: (1)采用模板法合成粒径可控,壳厚可调的Pt纳米空球,并运用SEM、EDS和循环伏安等方法对Pt纳米空球催化剂的表面形貌、组成和结构进行表征,以优化Pt纳米空球的制备工艺。 (2)分别探讨了酸性条件下正丙醇和异丙醇在H-Pt/GC电极上的电氧化行为,发现正丙醇解离吸附生成的CO使电极毒化,只有当在较高电位被氧化以后才使电极恢复活性;而异丙醇在电氧化过程中,存在氢的吸脱附峰,但没有发现异丙醇的解离吸附产物,这就意味着Pt电极在反应过程中没有被毒化,这证实酸性条件下正丙醇和异丙醇在H-Pt/GC电极上的电氧化机理有所不同,前者按活性中间体和毒性中间体的双途径氧化机理进行;而后者则按连续氧化反应机理进行。 (3)研究了扫描速度、支持电解质种类以及反应物浓度对正丙醇和异丙醇在H-Pt/GC电极上的电氧化行为,发现(Ⅰ)在本实验的浓度范围内H-Pt/GC电极可以做正丙醇和异丙醇的电分析传感器;(Ⅱ)正丙醇和异丙醇的电氧化行为都受扩散步骤控制;(Ⅲ)随着支持电解质pH值的增大, H-Pt/GC电极对正丙醇的电催化活性逐渐升高,在碱性介质中电催化活性最高;而异丙醇在其它条件相同的情况下,中性介质中活性更好。 (4)通过研究、比较不同介质中H-Pt/GC、B-Pt/GC和N-Pt/GC电极对正丙醇和异丙醇的电氧化行为,发现:(Ⅰ)不管在哪种介质中,H-Pt/GC电极对正丙醇和异丙醇的电催化氧化活性最好;(Ⅱ)通过对电极长时间的循环伏安扫描实验,表明在酸性、中性介质中,H-Pt/GC电极最稳定,而在碱性介质中N-Pt/GC电极最稳定。