本文關(guān)鍵詞：石墨烯負(fù)載的鉑基催化劑的制備及對(duì)甲醇催化氧化性能的研究

  更多相關(guān)文章： 鉑催化劑 石墨烯 鎳 鉬 直接甲醇燃料電池 電催化作用

【摘要】：近年來,直接甲醇燃料電池(DMFCs)作為未來的能源來源的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域,能夠滿足人類對(duì)能源和環(huán)境的需求。盡管人們?cè)贒MFCs的發(fā)展上投入了大量的精力。到目前為止,束縛DMFCs商業(yè)化還有兩個(gè)問題：較低的能量轉(zhuǎn)化效率和較高生產(chǎn)成本。眾所周知,鉑是DMFCs中甲醇催化氧化反應(yīng)(MOR)的最有效的催化劑之一,然而,由于MOR需要經(jīng)過多電子轉(zhuǎn)移采取多個(gè)路徑將甲醇轉(zhuǎn)化為二氧化碳,MOR非常遲緩。另外,由于甲醇的不完全氧化,許多反應(yīng)歷程都會(huì)產(chǎn)生CO中間體。CO成分將會(huì)吸附在Pt晶面上,能夠迅速使鉑催化劑失活。在低電位下,CO的生成是熱力學(xué)過程。在低指數(shù)鉑晶面上,CO氧化在Pt(100)晶面的起始電位要比在Pt(111)晶面低。然而,Pt(100)晶面更容易失活,這主要是由于CO中間體在Pt(100)晶面上吸附更強(qiáng)。因此,對(duì)于在設(shè)計(jì)鉑催化劑結(jié)構(gòu)以提高其MOR活性和CO耐受力上,高比例的Pt(111)晶面必須要考慮。目前,有關(guān)化學(xué)法合成鉑(111)晶面文獻(xiàn)并不多。另一方面,鉑納米粒子通常負(fù)載在碳材料上,使鉑催化劑活性更高,更經(jīng)濟(jì)。在碳載體中,石墨烯由于其較低的價(jià)格,較高彈性,優(yōu)異的導(dǎo)電性,巨大的比表面積和較長(zhǎng)的電化學(xué)壽命而具有很高的應(yīng)用價(jià)值和理論重要性。因而,石墨烯可以作為單原子層厚碳載體以負(fù)載鉑催化劑。然而,石墨烯不穩(wěn)定,不能分散在大多數(shù)溶劑里。因此當(dāng)需要將可控尺寸的鉑納米粒子均勻的負(fù)載在石墨烯上時(shí),石墨烯的功能化是必不可少的。非共價(jià)吸附是對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾的一種有效方法。這種方法能夠?yàn)殂K在石墨烯上的沉積提供充足的位點(diǎn),而且不會(huì)對(duì)石墨烯進(jìn)行破壞。這對(duì)鉑催化劑避免由于共價(jià)接枝或氧化引起載體失效的現(xiàn)象很重要。而且,鉑石墨烯雜化材料在晾干過程中會(huì)重新重疊形成三明治結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)可以防止鉑納米粒子在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中從石墨烯表面脫落或在石墨烯表面聚集。本文主要以還原石墨烯(RGOs)作為碳基底,通過加入穩(wěn)定劑或過渡金屬改變Pt基納米粒子的形貌和大小,提高對(duì)直接甲醇燃料電池的電化學(xué)活性。主要工作包括以下：(1)通過一鍋還原法合成單晶鉑納米盤,以聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)為穩(wěn)定劑,將鉑納米粒子均勻地負(fù)載在還原石墨烯(RGO)上,鉑納米盤的大小可以通過控制鉑的負(fù)載量來控制。所制備的鉑Pt/PVP/RGO催化劑對(duì)甲醇催化氧化反應(yīng)(MOR)顯示很高的催化活性和穩(wěn)定性。其MOR電流密度能達(dá)到401mA·mg-1 Pt,并且10000次電位掃描后,該電流密度能維持初始值的89%。(2)通過一鍋熱還原法在MoO_3的存在下合成均勻的負(fù)載在還原石墨烯上(RGOs)上鉑納米粒子。比較Pt-MoO_3/RGO和Pt/RGO催化劑,發(fā)現(xiàn)在加入MoO_3后鉑納米粒子的直徑大小在3.0到4.1納米之間。而不加入MoO_3鉑納米粒子會(huì)達(dá)到15.2納米。Pt-MoO_3/RGO催化劑中的MoO_3表現(xiàn)出表面可逆電子轉(zhuǎn)移能力,這可以提高Pt/RGO催化劑的耐CO中毒性能以及對(duì)甲醇的氧化還原性能。含16.5%MoO_3的Pt-MoO_3/RGO催化劑催化氧化甲醇的電流值達(dá)到610 mA·mg-1在0.65V 5000 s極化條件下鉑具有最小的的速率0.000425 s-1。(3)一鍋熱還原法合成均勻負(fù)載在還原石墨烯上的超細(xì)PtNi納米粒子,并用聚乙烯吡咯烷酮作為保護(hù)劑,通過控制鉑鎳的原子比例2:1到5:1可以控制PtNi的納米粒子的大小在2.5到5.4納米之間。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明通過修飾Ni可以提高Pt納米粒子電催化性能,最大電流密度可以達(dá)到：1065 mA·mg-1,是沒有加入Ni催化改良劑的2.65倍,和最近報(bào)道的Pt基催化劑相似,并且化學(xué)性能比那些報(bào)道的更好。
【關(guān)鍵詞】：鉑催化劑 石墨烯 鎳 鉬 直接甲醇燃料電池 電催化作用
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 直接甲醇燃料電池概述11-12
• 1.2.1 基本概念11
• 1.2.2 直接甲醇燃料電池工作原理11
• 1.2.3 直接甲醇燃料電池優(yōu)勢(shì)11-12
• 1.2.4 直接甲醇燃料電池目前問題12
• 1.3 直接甲醇燃料電池陽極催化劑的研究進(jìn)展12-17
• 1.3.1 陽極催化劑的制備方法12-13
• 1.3.2 影響鉑基催化劑性能的因素13-14
• 1.3.3 鉑基陽極催化劑的載體14-15
• 1.3.4 Pt基納米粒子的應(yīng)用15-17
• 1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義17-18
• 1.5 本課題的主要工作18-20
• 第二章 鉑納米盤/還原石墨烯復(fù)合材料的制備、表征及電催化活性穩(wěn)定性的研究20-33
• 2.1 引言20-21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分21-22
• 2.2.1 化學(xué)試劑21
• 2.2.2 Pt/PVP/RGO復(fù)合材料的制備21
• 2.2.3 表征儀器21
• 2.2.4 電化學(xué)測(cè)試21-22
• 2.3 結(jié)果與討論22-32
• 2.3.1 Pt/PVP/RGO復(fù)合材料的表征22-27
• 2.3.2 電化學(xué)性能的研究27-32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 第三章 鉑鉬納米粒子/還原石墨烯復(fù)合材料的制備、表征及對(duì)甲醇催化性能的研究33-46
• 3.1 引言33-34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分34-35
• 3.2.1 化學(xué)試劑34
• 3.2.2 Pt-MoO_3/RGO復(fù)合材料的制備34
• 3.2.3 表征儀器34-35
• 3.2.4 電化學(xué)研究35
• 3.3 結(jié)果與討論35-45
• 3.3.1 Pt-MoO_3/RGO復(fù)合材料的表征35-39
• 3.3.2 Pt-MoO_3/RGO電化學(xué)性能的研究39-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第四章 鉑鎳納米粒子/還原石墨烯電極材料的制備、表征及甲醇催化氧化性能的研究46-60
• 4.1 引言46-47
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分47-49
• 4.2.1 化學(xué)試劑47
• 4.2.2 氧化石墨烯的制備47-48
• 4.2.3 PtNi/PVP/RGO電極材料的制備48
• 4.2.4 表征儀器48
• 4.2.5 電化學(xué)測(cè)試48-49
• 4.3 結(jié)果與討論49-59
• 4.3.1 Pt_xNi_1/PVP/RGO復(fù)合物電極材料的表征49-54
• 4.3.2 Pt_3Ni/PVP/RGO電極材料的電化學(xué)性能的研究54-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 第五章 結(jié)論60-62
• 參考文獻(xiàn)62-78
• 致謝78-79
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文79-81

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