隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)化石燃料與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益尖銳,潛在的能源短缺危機(jī)使得清潔高效新能源的研發(fā)迫在眉睫。燃料電池和氫能是近年來受到人們廣泛關(guān)注的清潔綠色能源。其中,直接甲醇燃料電池（Direct methanol fuel cell,DMFC）具有能量密度高、操作簡單、工作溫度低、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn),已成為未來能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備的有前途的候選者。同時(shí)在各種生產(chǎn)氫氣的技術(shù)中,電解水制氫具有操作簡單、技術(shù)成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了研究者們的廣泛關(guān)注。在DMFC和電解水制氫技術(shù)中,高效的催化劑的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。大量研究結(jié)果表明:貴金屬鉑和鉑基催化劑是目前DMFC和電解水制氫技術(shù)中最有效的催化劑。然而,鉑的高成本、低儲(chǔ)量和低耐久性極大地阻礙了其大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。針對以上背景,本文做了以下三個(gè)方面的工作。（1）以氮摻雜碳量子點(diǎn)（Nitrogen-doped carbon quantum dots,N-CQDs）為基礎(chǔ),采用兩步還原法合成了以Au納米粒子為核,N-CQDs為中間層,Pd納米粒子為殼的三層核殼結(jié)構(gòu)（Core-shell）的金屬復(fù)合納米材料（Au@N-CQDs@Pd）。研究結(jié)果表明... 

【文章來源】：西北師范大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

PEMFC工作原理圖[7]

1緒論41.2.2甲醇氧化反應(yīng)（MOR）介紹直接甲醇燃料電池（Directmethanolfuelcell，DMFC）具有燃料儲(chǔ)存方便、安全可靠、能量密度大和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[10]，在不遠(yuǎn)的將來有望替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)[11]，是最有前景的替代能源技術(shù)之一，在便攜式電源和車用動(dòng)力電源中極受歡迎。DMFC的原理圖如圖1-2所示[12]。圖1-2DMFC的工作原理圖[12]。Fig.1-2SchematicoperationprincipleofDMFC[12].甲醇在催化劑的作用下在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)換為CO2、質(zhì)子和電子。CO2在電解質(zhì)的協(xié)助下從陽極出口排除。質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜在陰極一邊，電子經(jīng)由外電路做功形成電流后到達(dá)陰極，在催化劑的作用下與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)形成水。DMFC的電極反應(yīng)如下：陽極：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e（1-1）陰極：3/2O2+6H++6e→3H2O（1-2）總反應(yīng)：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O（1-3）由于Pt在甲醇催化氧化中性能良好，直接甲醇燃料電池使用最多的催化劑為Pt基催化劑。在DMFC中，甲醇在陽極的完全氧化是一個(gè)復(fù)雜的多步反應(yīng)[13]，其催化機(jī)理目前仍有待研究與考證，甲醇的電化學(xué)氧化主要有兩個(gè)過程有[14,15]：（1）甲醇的吸附和經(jīng)反復(fù)脫氫生成CO等中間物質(zhì)；（2）吸附的CO等中間產(chǎn)物被Pt表面的含氧物質(zhì)（如-OH，由水電解生成）

1緒論5氧化生成CO2。具體反應(yīng)機(jī)理如下：CH3OH+Pt→Pt(CH3OH)ads（1-4）Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-5）Pt(CO)ads+H2O→Pt+CO2+2H++2e（1-6）圖1-3模擬催化劑表面上甲醇發(fā)生催化氧化反應(yīng)步驟示意圖[15]。Fig.1-3Schematicdiagramofthecatalyticoxidationreactionofmethanolonthecatalystsurface[15].從示意圖中可以看到，在氧化過程中所生成的含碳中間產(chǎn)物CO未被及時(shí)氧化生成CO2會(huì)吸附在Pt的表面，占據(jù)催化位點(diǎn)使Pt催化劑產(chǎn)生中毒，從而降低催化活性和穩(wěn)定性[16]。為了解決這個(gè)問題，可以將Pt與另一種過渡金屬結(jié)合到一起，不僅可以降低Pt的用量達(dá)到降低成本的目的，同時(shí)還能有效提高對甲醇的催化活性和抗CO中毒能力[17]。此外，將其與氧化物結(jié)合也會(huì)產(chǎn)生相同的效果[18]。目前，人們對性能提高的原因可以從以下兩種機(jī)理進(jìn)行解釋：（1）雙功能機(jī)理[19]，是指加入過渡金屬后形成的復(fù)合催化劑可以在較低的電位下使水分子分解產(chǎn)生羥基（-OH），這些-OH會(huì)加快吸附在Pt表面的CO向CO2的轉(zhuǎn)化速率。（2）電子調(diào)變機(jī)理[20]。加入第二種金屬通過改變Pt的d能帶狀態(tài)和費(fèi)米能級能量來改變Pt的電子性能，破壞Pt表面與CO之間的相互作用，達(dá)到提高催化活性和穩(wěn)定性的目的。加入過渡金屬M(fèi)后其反應(yīng)原理如下：Pt(CH3OH)ads→Pt(CO)ads+4H++4e（1-7）M+H2O→MOHads+H++e（1-8）Pt(CO)ads+MOHads→Pt+M+CO2+H++e（1-9）

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 囤金軍,宋金香.  中國科技信息. 2020(Z1)
[2]氫燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J]. 陳曈,周宇昊,張海珍,劉麗麗,劉潤寶.  節(jié)能. 2019(06)
[3]電化學(xué)獲獎(jiǎng)人優(yōu)秀論文專輯序言[J]. 孫世剛.  電化學(xué). 2018(05)
[4]直接甲醇燃料電池碳載鉑基電催化劑的研究進(jìn)展[J]. 李慶剛,張新恩,劉碩.  材料導(dǎo)報(bào). 2015(S1)
[5]從登月火箭到手機(jī)電池 燃料電池分類[J].   數(shù)字通信. 2006(02)

博士論文
[1]AuPt雙金屬納米粒子合成及電催化性能研究[D]. 盧立娟.重慶大學(xué) 2018
[2]鉑—釕電催化劑中助劑釕的形態(tài)及穩(wěn)定性研究[D]. 馬俊紅.大連理工大學(xué) 2010



本文編號：2929430