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直接乙醇燃料电池新型阳极催化剂的研究

张新卫

  直接乙醇燃料电池由于其燃料——乙醇使用安全、来源丰富、价格低廉、易携带和储存等独特的优越性,越来越引起研究者的关注,但乙醇完全氧化成二氧化碳涉及到12个电子的转移过程、C-C键断裂以及更多的吸附中间体,高效低成本催化剂的开发是直接乙醇燃料电池商业化必须要解决的问题之一。本文针对Pt催化剂用量大、易中毒及低温条件下使C-C断裂效率较低等问题,相应的提出了一系列的解决办法,并对其作用机理进行了推测,获得了以下创新性成果: 1.采用微波辅助乙二醇法制备了粒径均匀、尺寸可控的SnO2纳米颗粒,该方法简单快速,省时省力。考察了不同制备条件对SnO2纳米粒子粒径大小的影响,实现了在一定范围内的尺寸可控。溶剂中水的含量,对SnO2粒径的控制非常重要,随着溶剂中水的含量的增加,所制备的SnO2粒径迅速增大;随着反应时间的延长和前驱体浓度的增加均使得Sn02粒子的粒径增大。将制备的纳米SnO2颗粒应用于直接乙醇燃料电催化剂Pt-SnO2/C,与商业化的Pt/C相比,自制的Pt-SnO2/C催化剂具有更小的粒径,更大的电化学活性面积,并且对乙醇的催化氧化具有更高的催化活性和稳定性。 2.通过微波辅助乙二醇法制备了不同Pt:Rh比例(1:1、2:1、3:1、4:1)的三元催化剂Pt-Rh-SnO2/C。应用透射电镜(TEM)及X射线衍射(XRD)方法对所制备的催化剂的微观结构进行了表征,采用循环伏安法和计时电流法研究了催化剂对乙醇的催化氧化的行为,结果表明:不同Pt:Rh比例的Pt-Rh-SnO2/C催化剂,其金属颗粒大多均匀地分散在碳载体的表面,没有明显的团聚现象,且颗粒粒径分布较窄,平均粒径小于4nm。随着Pt在催化剂中所占比例的增加,催化剂的颗粒逐渐增大;当Pt:Rh=3:1时,Pt-Rh-SnO2/C对乙醇氧化具有最好的催化活性和稳定性。 3.通过结构设计,设计并成功制备出一种新型结构的乙醇催化氧化催化剂—Pt/(CNT@SnO2),在这种结构中,Pt纳米粒子全部都能够与Sn02相接触,“双功能机理”能够在该种催化剂剂中得到较好的发挥,能够有效的促进乙醇及其中间有毒物种的氧化,减轻催化剂中毒。在制备包覆层的过程中,研究了不同HC1添加量对氧化锡存在形式、含量及其形貌的影响,结果表明,当不添加HCl时,SnOx/CNTs纳米复合物中以SnO的形式存在;当添加38%HCl的量为0.15mL或0.7mL时,SnOx/CNTs纳米复合物中以四方相的SnO2的形式存在,且能包覆在碳管周围形成核壳结构;当添加38%HCl的量为0.7mL时,SnO2层均匀的包覆在碳纳米管上,并且厚度只有2纳米左右。 4.通过微波辅助乙二醇法,将Pt粒子还原出来并沉降在CNT@SnO2复合载体上,并且不会破坏CNT@SnO2复合载体的核壳结构,成功的制备出Pt/(CNT@SnO2)催化剂,并通过XRD和TEM证明了这一结论。采用循环伏安法和计时电流法研究了Pt/(CNT@SnO2)催化剂对乙醇的催化氧化的行为。结果表明:与Pt/CNT相比,Pt/(CNT@SnO2)催化剂中Sn02包覆层的存在不会明显改变催化剂的电化学活性面积,并且由于Sn02均匀包覆在了碳管的周围,所有的Pt纳米粒子都能够与Sn02接触,有效的提高了Pt/(CNT@SnO2)催化剂的抗中毒能力。该催化剂能够很大程度上发挥SnO2与Pt的协同作用,促进乙醇的氧化。 5.通过醋酸铵洗涤和硫酸磺化煅烧,在不破坏复合载体的核壳结构的前提下,将包覆层的SnO2转变为固体超强酸S-SnO2,成功制备出S-SnO2/MWCNTs复合载体。通过微波辅助乙二醇法,快速的制备出了Pt-S-SnO2/MWCNTs催化剂。FTIR和TEM表明,磺化二氧化锡成功地包覆在了碳纳米管的周围。Pt纳米粒子均匀的分布在S-SnO2/MWCNTs复合载体上,平均粒径为3.0nm。循环伏安和计时电流测试表明,与Pt-SnO2/MWCNTs相比,Pt-S-SnO2/MWCNTs对乙醇氧化具有更高电化学活性和更强的抗毒性能。交流阻抗测试表明,由于S-SnO2的存在,乙醇在Pt-S-SnO2/MWCNTs催化剂上氧化时电荷传导电阻较小,反应较容易进行。 6.以H2PtCl6和RhCl3分别作为Pt和Rh的前躯体,乙二醇为稳定剂和还原剂,通过逐步还原法和共还原法成功制备出表面富含Pt催化剂Pt-Rh-SnO2/CNTs-Rh(f)催化剂,表面富含Rh的Pt-Rh-SnO2/CNTs-Pt(f)催化剂以及以PtRh合金形式存在的Pt-Rh-SnO2/CNTs-(co)催化剂,并通过XRD和TEM证明了这一结论,结果表明:三种催化剂中的金属粒子均均匀的分布在SnO2/CNTs复合载体的表面,催化剂平均粒径均在3.5纳米以下。通过循环伏安法和计时电流法研究了这三种不同结构催化剂对乙醇催化氧化的行为进行研究,结果表明:三种催化剂在乙醇氧化过程中对乙醇氧化的电催化能力和抗毒化的的顺序为:Pt-Rh-SnO2/CNTs-Pt(f)> Pt-Rh-SnO2/CNTs-(co)> Pt-Rh-SnO2/CNTs-Rh(f),并针对Pt-Rh-SnO2/CNTs-Pt(f)催化剂提出了乙醇在该催化剂上的反应机理。……   
[关键词]:直接乙醇燃料电池;阳极电催化剂;乙醇氧化;高催化活性;二氧化锡
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京交通大学2011年