PS球负载金属及其电化学性能研究

论文摘要

直接醇类燃料电池（DAFC）具有能量转化率高、燃料来源广、无污染、储存和运输方便等优点,是一种绿色能源技术。能在便携式电源、野外电站和电动机车等方面得到应用,对解决当前世界面临的能源短缺和环境污染这两大难题具有重要的现实意义。但是目前阻碍DAFC发展的主要问题是醇类分子在阳极低的反应活性和醇类分子从阳极渗透到阴极影响阴极性能。并且目前DAFC的催化剂主要使用贵金属Pt,价格昂贵。制备用量少、活性高的催化剂是降低燃料电池成本的有效途径。核壳结构材料是一类正在兴起的新型复合材料。由于核壳材料其自身结构上的诸多优点,已被广泛应用于催化剂、传感器、多功能复合材料、绝缘材料、药物控制释放等领域。本文用分散聚合法、无皂乳液聚合法和乳液聚合法三种方法制得聚苯乙烯微球（PS）,并在其表面分别修饰上-NO2、-NH2和PDDA（聚二甲基二烯丙基胺盐酸盐）功能团,最后以功能化PS微球为模板制备Au、NiAu金属空心球作为阳极催化剂,并对其电化学性能做了详细的考察,研究工作主要包括以下几个方面:1.分别用分散聚合法、无皂乳液聚合法和乳液聚合法制备得到PS（聚苯乙烯微球）,研究发现用分散聚合法制得的PS微球平均粒径约为2.0μm,粒径均匀,分散性很好;用无皂乳液聚合法制得的PS微球平均粒径约为700 nm,粒径均匀,分散性也很好,首先用无皂乳液聚合法制得粒径均匀,单分散性较好的PS微球;用乳液聚合法制得的PS微球平均粒径约为250 nm,粒径均匀,分散性也很好。2.在PS微球表面分别修饰上-NO2、-NH2和PDDA三种功能团,首先成功的在PS微球上负载上PDDA聚合物功能层,并在硝化PS微球上负载上Ni金属和不同Au含量的NiAu复合金属;在氨化PS微球上负载上同样的金属;在PDDA功能化的PS微球上负载上Au金属。研究发现,均可在硝化、氨化的PS微球表面上负载上均匀分布的Ni金属,其中用NaBH4还原得到的金属壳层比较粗糙,而用乙二醇还原制得的金属壳层则比较光滑。在PDDA修饰的PS微球上负载得到的Au壳层表面也比较光滑平整。NiAu复合催化剂随着Au含量的增加,金属壳层表面的粗糙度也增加。用有机溶剂N, N-二甲基二甲酰胺（DMF）浸泡上面制得的核壳材料,溶解PS核,以制得金属空心球。3.首次制得了NiAu复合金属空心球作为醇类燃料电池的阳极催化剂,研究发现单金属Ni催化剂对醇类基本上没有催化活性,但是NiAu复合金属催化剂的催化性能远远高于单金属Ni,而且在碱性的甘油、甲醇和乙二醇溶液中,催化活性顺序为:NiAu150 > NiAu50 > Ni。也就是随着Au含量的增高,催化剂的活性也增强。其中NiAu复合金属催化剂在甲醇和正丙醇中的抗毒化能力较强,不易在短时间内催化剂中毒。4. Au空心球在碱性的甘油、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇和正丙醇溶液中,都具有较好和较稳定的电催化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 直接醇类燃料电池
• 1.1.1 直接醇类燃料电池的概述
• 1.1.2 阳极催化剂的研究状况
• 1.2 空心球材料
• 1.2.1 空心球材料的概述
• 1.2.2 空心球材料的制备技术
• 1.2.2.1 模板法
• 1.2.2.2 水热与溶剂合成法
• 1.2.2.3 层层自组装
• 1.2.2.4 其他方法
• 1.2.3 空心球材料的应用
• 1.2.3.1 药物控制释放
• 1.2.3.2 填充材料
• 1.2.3.3 光电材料
• 1.2.3.4 催化材料
• 1.3 本论文的主要工作、创新点及研究意义
• 1.3.1 本课题的主要工作
• 1.3.2 本论文工作的创新点
• 1.3.3 本论文的研究意义
• 第二章 分散聚合法制备氨基PS 微球并负载金属Ni 和Au
• 2.1 引言
• 2.1.1 分散聚合概述
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 精制St 和重结晶AIBN
• 2.2.2 仪器与试剂
• 2.2.3 分散聚合法合成聚苯乙烯球
• 2.2.4 合成硝基PS 球（PNS）和氨基PS 球（PAS）
• 2.2.5 在PAS 球上负载金属Ni 和Au
• 2.2.6 金属空心球的制备
• 2.2.7 样品的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚苯乙烯（PS）微球
• 2.3.2 硝化和氨化聚苯乙烯微球表面的机理
• 2.3.3 负载金属Ni 和Au
• 第三章 无皂乳液聚合法制备氨基、硝基PS 微球并负载金属Ni 和Au
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 无皂乳液聚合法合成PS 微球
• 3.2.3 合成硝基PS 球（PNS）
• 3.2.4 合成氨基PS 球（PAS）
• 3.2.5 在PAS 球上负载金属Ni 和NiAu
• 3.2.6 在PNS 球上负载金种（Au 种）
• 3.2.7 在PNS-Au 种球上负载Ni
• 3.2.8 在PNS 球上负载Ni
• 3.2.8.1 用NaBH4 作还原剂
• 3.2.8.2 用乙二醇作还原剂
• 3.2.9 在乙二醇还原得到的PS-Ni 上覆盖Au
• 3.2.10 金属空心球的制备
• 3.2.11 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 样品的SEM 分析
• 第四章 乳液聚合法制备功能化PS 微球并负载金属Au
• 4.1 引言
• 4.1.1 乳液聚合概述
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 乳液聚合法合成PS 球
• 4.2.3 用PDDA 修饰PS 球
• 4.2.4 在PS-PDDA 上负载Au
• 4.2.5 金属空心球的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 样品的SEM 分析
• 第五章 电化学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 主要试剂及仪器
• 5.2.1 实验仪器
• 5.2.2 主要试剂
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 电极的制备
• 5.3.2 电化学实验
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 甘油在Au、Ni、NiAu 电极上电化学氧化比较
• 5.4.2 甲醇在Au、Ni、NiAu 电极上电化学氧化比较
• 5.4.3 乙醇在Au、Ni、NiAu 电极上电化学氧化比较
• 5.4.4 乙二醇在 Au、Ni、NiAu 电极上电化学氧化比较
• 5.4.5 异丙醇在Au、Ni、NiAu 电极上电化学氧化比较
• 5.4.6 正丙醇在Au、Ni、NiAu 电极上电化学氧化比较
• 5.5 电化学性能小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢