双氢氧化物及其复合物对碱性介质中甲醇氧化的电催化作用的研究

论文摘要

甲醇等有机小分子的电化学氧化是燃料电池研究中广为涉及的课题,相应催化剂的研究主要集中在Pt、Au等贵金属材料领域,但因易中毒和成本问题而使得直接甲醇燃料电池的实际应用发展速度一直很缓慢。层状双氢氧化物（Layered double hydroxides,简称LDHs ）,是一类由带正电荷的金属氢氧化物层和层间填充可交换的阴离子所构成的无机层状化合物,具有特殊的结构和物理化学性质,来源广泛,价格便宜,是一种很好的电极材料。本论文利用LDHs相关性质,采用不同方法合成制备了两类LDHs及其与贵金属的复合物,并以它们为电极修饰材料,用来研究对碱性介质中甲醇氧化的电催化作用。研究的主要内容有:（1）利用LDHs的层间离子可交换性,先后通过共沉淀-水热合成和热还原的过程制备出Au插层于MgAl LDHs的MgAl-Au LDHs,用XRD、TEM等方法对其进行了表征,然后通过滴涂的方法在玻碳电极表面构建修饰电极,考察该修饰电极在碱性条件下对甲醇的电催化氧化作用。实验表明,制备的修饰电极具有较好的稳定性,同等条件下体现出更好的催化活性,并探讨了LDHs在催化过程中的作用。这种廉价易得的LDHs有望成为甲醇阳极催化剂研究中很好的支撑材料。（2）利用LDHs的高稳定性和强吸附性特点,通过真空热还原法得到Pt/MgAl LDH复合材料,并将该复合材料修饰到玻碳电极表面,制备稳定的Pt/LDH/GCE修饰电极,通过在碱性环境中详细地研究此催化剂对甲醇的电催化氧化行为。相比于单纯用贵金属修饰的玻碳电极,相同条件下,该修饰电极表现出更高的电催化活性。同时从LDHs中不同镁铝比,不同电介质的影响等方面更详细地考察了掺杂无电活性双氢氧化物在贵金属电催化氧化甲醇中所起到的作用。（3）用电合成方法在玻碳电极表面沉积电活性的NiAl LDHs,成功构建了均一、稳定的LDHs膜修饰电极,使用XRD、SEM和CV技术对其进行了表征。详细考察了该修饰电极在碱性条件下对甲醇的电催化氧化作用。探讨了不同镍铝比、甲醇浓度、扫速、底液浓度对修饰电极表面电极性质的影响。采用CA、扫描圈数等技术在同等条件下与Ni（OH）2修饰电极进行比较,NiAl LDHs膜修饰电极体现出更好的催化效果和稳定性。最后根据实验结果,讨论NiAl-NO3 LDH/GCE表面甲醇氧化机理。（4）用电合成方法先后合成NiAl LDHs和Au的复合物至玻碳电极表面,构建了均一、稳定的多种膜修饰电极,通过CV、CA技术考察相应修饰电极在碱性条件下对甲醇的电催化氧化作用。结果显示,Au的添加增强了NiAl LDHs对甲醇氧化的电催化作用。针对电极表面复合材料对甲醇氧化的相关机理,设计实验,进行了更详细地探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 直接甲醇燃料电池（DMFC）概述
• 1.2 碱性直接甲醇燃料电池的研究进展
• 1.3 双氢氧化物简介
• 1.4 双氢氧化物电化学研究及应用
• 1.5 论文设想
• 参考文献
• 第二章 MgAl LDHs 与贵金属复合物的制备及其对甲醇的电催化氧化
• 第一节 MgAl-Au LDHs 对甲醇的电催化氧化
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第二节 MgAl LDH/Pt 对甲醇的电催化氧化
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 NiAl LDHs 修饰电极的电沉积制备及其对甲醇的电催化氧化
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 NiAl LDH
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表与待发表论文
• 致谢