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多壁碳纳米管负载Au@Pt、Au@Pd核壳结构催化剂的制备及电化学性能研究

作　者: 徐洋洋
导　师: 杨喜昆
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: Au@Pt Au@Pd 核壳结构 多壁碳纳米管 甲醇氧化 燃料电池
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


直接甲醇燃料电池(DMFCs)由于具有高的能量转换密度,甲醇的来源丰富且价格低廉,零污染等优点,被认为是解决将来能源问题理想的选择之一。一直以来,DMFCs采用的是酸性电解液,其阳极催化剂主要为Pt,但是Pt高的价格、低的储量以及容易对CO中毒的问题限制了它的应用。此外,在酸性电解液中,甲醇氧化及氧还原反应低的动力学是另一个限制DMFCs商业化发展的主要原因。最近,随着阴离子交换膜的发展,碱性DMFCs被广泛的研究。与酸性DMFCs相比,碱性DMFCs主要具有以下几方面的优势：甲醇的反应动力学的提高；甲醇穿透的问题能被很好的抑制；阴离子膜的价格较低；可以用非Pt金属作为催化剂等。本论文采用在纳米尺度上具有优异催化性能以及高电负性(X=2.54)的Au作为核壳结构纳米颗粒的核,电负性相对低的金属Pt(X=2.28)、Pd(X=2.20)作为壳。利用核壳结构能极大提高Pt、Pd的利用率以及Pt、Pd与Au之间具有明显的电子效应,得到具有高的催化性能的Au@Pt、Au@Pd核壳纳米颗粒。不同Au:Pt、Au:Pd比例的Au@Pt、Au@Pd溶胶通过紫外光辐射法制备。此外,为提高金属纳米颗粒在多壁碳纳米管(MWCNTs)表面的分散性,利用苯硫酚对MWCNTs表面进行功能化处理。最后,将制备的Au@Pt、Au@Pd溶胶组装在功能化的MWCNTs表面,得到作为碱性DMFCs阳极催化剂的Au@Pt/MWCNTs、Au@Pd/MWCNTs复合材料,就我们所知,相关的研究很少被报道。通过对样品进行紫外可见光吸收光谱(UV-Vis)分析,结果证明Au@Pt、Au@Pd不是Au和Pt、Pd纳米颗粒的简单混合,而是形成一种核壳结构的复合纳米颗粒。透射电子显微镜(TEM)结果显示Au@Pt、Au@Pd具有小的颗粒尺寸(-5nm),且高度分散在功能化的MWCNTs表面。X射线衍射(XRD)说明Au@Pt、Au@Pd和MWCNT均具有好的晶体结构,且计算出的颗粒尺寸与TEM结果一致。X射线光电子能谱(XPS)的结果显示在Au@Pt/MWCNTs、Au@Pd/MWCNTs中,Pt、Pd与Au之间具有明显的电子效应导致了Pt、Pd的电子结构发生改变,且通过对纳米颗粒元素组成的测试,从另一方面说明了核壳结构的形成。运用循环伏安法对催化剂表面的元素组成进行了分析,结果进一步表明合成的Au@Pt、Au@Pd纳米颗粒具有一种核壳结构。催化剂的催化活性通过循环伏安法和计时电流法进行测试,结果显示Au@Pt/MWCNTs催化剂在Au:Pt=1:1时催化活性和稳定性最高,其峰电流密度为4.24mA cm-2,分别为Pt/MWCNTs和Pt/C (JM)的2.3和3.5倍。Au@Pt/MWCNTs (1:1)催化剂活性的增强可归因于表面Pt壳改变的电子结构减弱了对cO中间产物的吸附,使表面吸附的CO容易被移除。对于Au@Pd/MWCNTs催化剂,当Au:Pt=4:1时催化活性和稳定性最高,其峰电流密度是Pd/MWCNTs的1.78倍。Au和Pd之间的电子效应和双功能效应可能是Au@Pd/MWCNTs (4:1)催化剂高催化性能的原因。

全文目录


摘要  3-5Abstract  5-9第一章 绪论  9-25  1.1 直接甲醇燃料电池  9-10  1.2 直接甲醇燃料电池基本原理  10-12  1.3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂  12-14    1.3.1 直接甲醇燃料电池Pt(基)催化剂  12-13    1.3.2 直接甲醇燃料电池非Pt催化剂  13-14  1.4 催化剂结构对催化性能的影响  14-15  1.5 直接甲醇燃料电池研究进展  15-16  1.6 碳载体材料  16-18    1.6.1 Vulcan XC-72碳黑  16    1.6.2 碳纳米管  16-17    1.6.3 碳纳米纤维  17-18    1.6.4 介孔碳  18  1.7 碳载体材料处理方法  18-19  1.8 催化剂的制备方法  19-22    1.8.1 紫外光辐射法  19-20    1.8.2 浸渍法  20-21    1.8.3 胶体负载法  21    1.8.4 微乳液法  21-22  1.9 论文选题思路及研究内容  22-25第二章 实验  25-32  2.1 实验方案  25-26  2.2 实验仪器与药品  26-28  2.3 实验过程  28-29    2.3.1 MWCNTs预处理  28    2.3.2 Au@Pt、Au@Pd溶胶的制备  28    2.3.3 Au@Pt/MWCNTs、Au@Pd/MWCNTs催化剂的制备  28    2.3.4 催化剂热处理  28    2.3.5 电极制备  28-29  2.4 催化剂的表征  29-30    2.4.1 XRD测试  29    2.4.2 XPS测试  29-30    2.4.3 TEM测试  30  2.5 电化学性能测试  30-32    2.5.1 循环伏安测试  30-31    2.5.2 计时电流测试  31-32第三章 Au@Pt/MWCNTs催化剂的表征与性能测试  32-47  3.1 Au@Pt/MWCNTs催化剂的UV-Vis吸收光谱分析  32-33  3.2 Au@Pt/MWCNTs催化剂的TEM分析  33-35  3.3 Au@Pt/MWCNTs催化剂的XRD分析  35-37  3.4 Au@Pt/MWCNTs催化剂的EDAX和XPS分析  37-41  3.5 Au@Pt/MWCNTs催化剂的电化学分析  41-46    3.5.1 Au@Pt/MWCNTs催化剂的循环伏安分析  41-42    3.5.2 Au@Pt/MWCNTs催化剂对甲醇的循环伏安分析  42-44    3.5.3 Au@Pt/MWCNTs催化剂对甲醇的计时电流分析  44-46  3.6 本章小结  46-47第四章 Au@Pd/MWCNTs催化剂的表征与性能测试  47-61  4.1 Au@Pd/MWCNTs催化剂的UV-Vis吸收光谱分析  47-48  4.2 Au@Pd/MWCNTs催化剂的TEM分析  48-50  4.3 Au@Pd/MWCNTs催化剂的XRD分析  50-51  4.4 Au@Pd/MWCNTs催化剂的XPS分析  51-54  4.5 Au@Pd/MWCNTs催化剂的电化学分析  54-60    4.5.1 Au@Pd/MWCNTs催化剂的循环伏安分析  54-55    4.5.2 Au@Pd/MWCNTs催化剂对甲醇的循环伏安分析  55-56    4.5.3 Au@Pd/MWCNTs催化剂对甲醇的计时电流分析  56-58    4.5.4 热处理温度对Au@Pd/MWCNTs催化活性的影响  58-60  4.6 本章小结  60-61第五章 结论  61-63致谢  63-65参考文献  65-75附录A 攻读学位期间发表论文及专利情况  75

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化 > 催化剂
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