纳米碳纤维及其负载贵金属催化剂的制备及性能研究

论文摘要

直接乙醇和甲酸燃料电池作为小功率便携式电子设备未来潜在的动力源在近年来越来越引起人们的关注。目前,乙醇和甲酸氧化催化剂的低活性及高成本是阻碍直接乙醇和甲酸燃料电池商业化的主要因素。因此,开发高效的乙醇和甲酸氧化催化剂以提高催化活性从而降低贵金属的负载量具有重要意义。采用大比表面积的载体材料锚定贵金属催化剂是提高催化剂性能的常用方法。作为一种新型碳材料,纳米碳纤维（carbon nanofiber, CNF）因为其独特的电子及结构特性,例如高的电导率及中孔结构,作为催化剂载体材料具有巨大的潜力。而且,CNF的织构及结构特性,例如直径,边面原子与基面原子的比例等都是可调控的,这为调控负载贵金属在CNF上的沉积和CNF与负载贵金属的相互作用提供了途径。本研究的目的在于以CNF为催化剂载体,选择合适的合成方法开发高效的乙醇和甲酸氧化电催化剂。同时,也研究了CNF作为催化剂对氧的电催化还原性能。目前得到的主要研究结果如下：（1）采用电泳沉积技术制备了由相互缠绕的CNF形成的具有开孔结构的CNF膜。研究了采用脉冲电沉积法负载在CNF膜上的Pd纳米粒子对乙醇在碱性溶液中的电催化氧化性能。循环伏安测试表明,电泳沉积联合脉冲电沉积技术制备的这种新型催化剂对乙醇在KOH溶液中的电化学氧化具有良好的催化活性。这种高的催化活性可归因于高度分散在具有三维网状结构的CNF膜上的Pd纳米粒子可以为乙醇氧化提供大的可接触电化学活性面积及CNF膜的结构和电子特性。（2）分别采用传统的粉末工艺及电泳沉积联合脉冲电沉积的工艺制备了两种Pd/CNF修饰的玻碳（glassy carbon, GC）电极：Pd/CNF/GC-C和Pd/CNF/GC-E,研究了电极制备方法对电极的乙醇催化氧化性能的影响。场发射扫描电镜及高分辨透射电镜的表征结果表明Pd纳米粒子在两个电极中都比较均匀地分散在CNFs上,X-射线衍射结果表明Pd/CNF/GC-E电极中Pd纳米粒子的粒径要稍大于Pd/CNF/GC-C电极中Pd纳米粒子的粒径。循环伏安测试表明Pd/CNF/GC-E电极对乙醇在碱性溶液中的电化学活性要高于Pd/CNF/GC-C电极,尽管Pd/CNF/GC-C电极有较高的Pd载量及较小的粒径。Pd/CNF/GC-E电极比Pd/CNF/GC-C电极的性能要好,归因于Pd催化剂在前者的利用率比后者高,这通过对两个电极电化学活性面积的测试得到证实。另外,计时安培测试表明Pd/CNF/GC-E电极对乙醇电催化氧化的稳定性要好于Pd/CNF/GC-C电极。（3）制备了板式、鱼骨式和管式CNF负载的Pd电催化剂,考察了CNF的微结构对电催化剂催化乙醇氧化活性的影响。在同样的制备条件下,Pd纳米粒子在板式、鱼骨式和管式CNF上分别呈现均匀致密、松散随意和聚集的分散状态。这种分散状态的差异可能是CNF微结构的不同造成的。管式CNF表面暴露的主要是基面原子,其与负载Pd纳米粒子的相互作用较弱,在这种较弱的相互作用下Pd粒子倾向于聚集。板式和鱼骨式CNF表面暴露的主要是高能端面原子,其可以锚定负载的Pd纳米粒子从而防止Pd粒子的聚集。电化学测试的结果表明鱼骨式CNF负载的Pd纳米粒子对乙醇氧化具有最好的催化活性,而板式CNF负载的Pd纳米粒子对乙醇氧化具有最好的催化稳定性。（4）分别以柠檬酸钠和硼氢化钠为稳定剂和还原剂合成了CNF负载的Pd催化剂。发现通过改变合成溶液的pH值可以很方便地调节负载Pd纳米粒子的粒径和分布。随着合成溶液的pH值从3.2增至6.0,CNF负载的Pd纳米粒子在CNF上的分散变得越来越均匀,平均粒径从5.8 nm降至3.6 nm。然而,当合成溶液的pH值继续增至6.5时,CNF负载的Pd粒子的平均粒径增大,而且Pd/CNF催化剂中有PdO的生成。对Pd/CNF催化剂的电化学测试表明在溶液的pH值为6时合成的Pd/CNF催化剂对甲酸氧化具有最好的催化活性及稳定性,这可归因于其小的粒径及均匀的粒径分布。（5）分别以柠檬酸钠和硼氢化钠为稳定剂和还原剂合成了CNF负载的PdAu催化剂,XRD测试的结果表明合成溶液中四氢呋喃的添加有助于Au与Pd合金化程度的提高。电化学测试的结果表明在适当的Pd/Au质量比下,合金化程度高的PdAu/CNF催化剂对甲酸电催化氧化的活性及稳定性均高于合金化程度低的PdAu/CNF催化剂及Pd/CNF催化剂。PdAu/CNF催化剂对甲酸的催化活性受到多重因素的影响,只有当催化剂的粒径及合金化程度同时兼顾时PdAu/CNF催化剂才有较优的催化性能。（6）CNF在混酸（浓硫酸+浓硝酸）和氨水中的超声处理分别在CNF表面成功地引入了含氧和含氮基团。循环伏安测试的结果表明含氧基团的引入使得CNF对氧的电催化还原活性有显著提高,而含氮基团的引入使得CNF的氧电催化还原活性有进一步提高。鱼骨式CNF对氧的电催化还原性能要好于相应的管式CNF。以上的研究表明CNF的微结构及表面性质都对CNF的氧电催化还原活性具有影响,而后者的影响更显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 总论
• 1.1 引言
• 1.2 直接乙醇燃料电池
• 1.2.1 乙醇作为燃料的优点
• 1.2.2 DEFC工作原理及乙醇可能的氧化机理
• 1.2.3 DEFC的研究现状及需解决的问题
• 1.2.4 碱性介质中乙醇电催化剂研究进展
• 1.3 直接甲酸燃料电池
• 1.3.1 甲酸作为燃料的优点
• 1.3.2 DFAFC的工作原理及甲酸可能的氧化机理
• 1.3.3 甲酸电氧化催化剂的研究现状
• 1.4 氧还原反应
• 1.4.1 氧还原反应概述
• 1.4.2 氧还原催化剂的研究进展
• 1.5 纳米碳纤维
• 1.5.1 纳米碳纤维简介
• 1.5.2 CNF作为催化剂载体的优势
• 1.5.3 CNF作为电催化剂载体的应用
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 CNF负载Pd催化剂的制备及其对乙醇的电催化氧化研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 CNF的生长
• 2.2.2 CNF的纯化
• 2.2.3 CNF的功能化
• 2.2.4 CNF/GC电极的制备
• 2.2.5 Pd颗粒在CNF/GC电极上的分散
• 2.2.6 催化剂的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 CNF的HRTEM和FESEM表征
• 2.3.2 CNF的FTIR和Raman表征
• 2.3.3 CNF负载Pd颗粒的表征
• 2.3.4 Pd/CNF/GC对乙醇的电催化氧化性能
• 2.4 本章小节
• 第3章 电极制备方法对电极的乙醇电催化氧化行为的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 CNF的生长、纯化及功能化
• 3.2.2 Pd/CNF/GC电极的制备
• 3.2.3 电极的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 催化剂的FESEM,HRTEM和XRD表征
• 3.3.2 循环伏安测试
• 3.3.3 计时电势测试
• 3.4 Pd/CNF/GC-E电极制备参数对其催化性能的影响
• 3.4.1 CNF的超声化学氧化时间对负载Pd粒子形貌的影响
• 3）₂·6H₂O的加入量对Pd/CNF/GC-E电极催化性能的影响'>3.4.2 Mg（NO₃）₂·6H₂O的加入量对Pd/CNF/GC-E电极催化性能的影响
• 3.4.3 Pd粒子的负载量对负载Pd粒子形貌的影响
• 3.5 本章小节
• 第4章 CNF微结构对负载Pd催化剂乙醇电催化氧化性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 CNF的生长、纯化及功能化
• 4.2.2 Pd/CNF/GC电极的制备
• 4.2.3 催化剂的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CNF的HRTEM和Raman表征
• 4.3.2 Pd纳米粒子在CNF上的分散
• 4.3.3 Pd/CNF/GC电极的电化学表征
• 4.4 本章小结
• 第5章 Pd/CNF催化剂的制备及其对甲酸的电催化氧化研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 Pd/CNF催化剂的制备
• 5.2.2 Pd/CNF催化剂的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 Pd/CNF催化剂的HRTEM表征
• 5.3.2 Pd/CNF催化剂的XRD表征
• 5.3.3 Pd/CNF催化剂的XPS表征
• 5.3.4 Pd/CNF催化剂的电化学表征
• 5.4 本章小结
• 第6章 PdAu/CNF催化剂的制备及其对甲酸的电催化氧化研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 催化剂的制备
• 6.2.2 催化剂的表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 催化剂的XRD及HRTEM表征
• 3Au₁/CNF催化剂的合金化程度对甲酸电催化氧化性能的影响'>6.3.2 Pd₃Au₁/CNF催化剂的合金化程度对甲酸电催化氧化性能的影响
• 6.3.3 PdAu/CNF-Ⅱ催化剂中Pd与Au的相对含量对甲酸电催化氧化性能的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 CNF的微结构及表面基团对其氧电催化还原性能的影响
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 含氧和含氮基团在CNF表面的引入
• 7.2.2 CNF的表征
• 7.2.3 CNF对氧的电催化还原性能的表征
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 CNF的比表面积
• 7.3.2 CNF表面的元素含量
• 7.3.3 CNF的Raman表征
• 7.3.4 CNF的氧电催化还原性能
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表情况