提高直接液体燃料电池催化剂活性和抗中毒能力的新原理、新方法研究

论文摘要

随着全球能源危机和环境的恶化,提高资源利用率和降低对环境的污染成为能源研究的首要课题。直接液体燃料电池（direct liquid fuel cell, DLFC）作为一种清洁、高效的能源转化形式受到研究者的广泛关注。对直接液体燃料电池的研究主要集中在燃料和催化剂两方面。迄今,已经研究过的燃料有甲醇、甲醛、甲酸、甲酸盐、乙醇、丙三醇等等。目前研究最多的仍是一碳燃料甲醇、甲酸、甲酸盐等。已研究过的催化剂包括一元催化剂Pt、Au、Pd、Ru,二元催化剂PtPd、PtRu、PtSn,多元催化剂PtRuW、PtRuMo、PtRuSnW等。由于一元催化剂催化活性低、易中毒和不稳定等原因,需要加入另外的元素以提高催化剂的催化活性和稳定性。由于加入元素越多不可控因素就越多,研究过程就越复杂。因此,催化剂的研究多集中在二元催化剂上。之前的研究主要集中于单一燃料,如直接甲醇燃料电池（DMFC）、直接甲醛燃料电池（DFFC）、直接甲酸燃料电池（DFAFC）等。提高燃料的催化氧化活性主要通过改变催化剂的种类、催化剂的形貌、载体的种类等方法,但对于混合燃料体系和采用阴离子改变氧化机理和提高氧化活性的研究均未涉及。本论文通过建立新型催化剂制备方法、制备新型催化剂、在甲酸中添加高浓度甲酸盐等方法,探索提高氧化活性、改变氧化机理从而改进催化剂性能等方面开展了开创性工作。相关工作具有原始创新性,得到一系列具有重要理论意义和应用前景的结论。论文首先对燃料电池的发展,特别是直接液体燃料电池的发展、应用进行了综述。对直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池的研究进展、存在的问题和未来研究方向进行了重点论述。还介绍了金属多孔材料的制备方法。论文的主要工作包括：（1）金属纳米多孔材料是一种高比表面积的纳米材料,在催化领域有广泛的应用,制备的方法主要有模板法和非模板法两种,模板法常用来制备孔阵列材料。之前制备孔阵列材料的方法只有二步复型法,过程比较繁琐。我们以阳极氧化铝为模板,建立了一种制备纳米结构的新方法——模板规范电化学腐蚀法,并采用该方法制备了金纳米孔阵列。制备的过程包括四步：溅射导电金层,通过电镀来加厚导电层,模板规范电化学腐蚀电镀层,移除阳极氧化铝模板。采用该方法制备出的金纳孔阵列具有较高的结晶度和纯度。采用此方法制备的金纳米孔阵列膜在碱性甲醇溶液中比光滑的多晶金片表现出更加优良的催化活性。实验表明,金纳米孔阵列膜在甲醇氧化过程中表现出的高催化活性主要是由于组成金纳米孔阵列的高比表面积造成的。（2）为了进一步提高Au纳米管薄膜催化剂催化氧化甲醇的活性,实验采用电沉积的方法制备了Au-Sn合金纳米管薄膜。此Au-Sn合金纳米管薄膜的主要成分是AU5Sn。Au-Sn合金纳米管薄膜在碱性溶液中氧化甲醇的峰电流密度是Au纳米管薄膜的2.4倍,表明Au-Sn合金纳米管薄膜的氧化活性高于Au纳米管薄膜,Au-Sn合金纳米管的高催化活性归于Sn促进了金表面预氧化物种的形成。（3）之前的研究表明,甲酸盐的氧化电流密度虽然高于甲酸,但是在氧化过程中阳离子不易氧化,在电池中累积而造成电池无法连续工作。为了更好地利用甲酸和甲酸盐燃料各自的优势,摒弃其不足,我们提出在甲酸溶液中加入甲酸盐,构成甲酸-甲酸盐混合溶液燃料体系,首创性地建立了直接甲酸-甲酸盐混合燃料电池（direct formic acid-formate blended fuel cells, DFAFBFC）新概念、新原理。DFAFBFC用甲酸盐作为电池的实际燃料（real fuel）,而以甲酸作为供应燃料（supplied fuel）。随着电池反应的进行,HCOOˉ和H+逐渐被消耗,甲酸的加入可补充消耗掉的HCOOˉ并保持了溶液pH值的稳定,使得电池电动势稳定。此燃料利用了甲酸盐氧化活性高、安全性好、抗中毒能力强等优势,摒弃了其阳离子不断累积,无法连续工作等缺点。论文采用Pt-C/GC电极催化氧化不同浓度的甲酸-甲酸钠混合溶液时发现,随着甲酸钠浓度的增大,循环伏安的开路电势和氧化峰峰电位逐渐负移,直接氧化的氧化峰峰电流增加,间接氧化的氧化峰峰电流下降。用计时安培法测量的1mol/L HCOOH-1 mol/L HCOONa混合溶液的电流是1 mol/L甲酸钠溶液电流值的2.83倍,1 mol/L甲酸溶液电流值的5.62倍。混合溶液体系的E-I曲线图也表明甲酸-甲酸钠混合溶液的电流密度高于甲酸或者甲酸钠的电流密度。所有的证据都说明Pt-C/GC电极的抗中毒能力和甲酸-甲酸钠混合溶液的电氧化活性比甲酸溶液或者甲酸钠溶液高。通过讨论证明甲酸-甲酸盐混合溶液在Pt-C/GC电极上遵循EreEir反应机制。（4）直接甲酸-甲酸盐混合燃料电池是一种新的直接液体燃料电池,论文还对适合DFAFBFC的催化剂体系进行了研究。实验制备了Pt/C、PtPd/C、Pt/CNT和PtPd/CNT4种催化剂,研究了它们在不同甲酸-甲酸钠混合溶液中的催化氧化活性。通过比较Pt/C、PtPd/C、Pt/CNT和PtPd/CNT催化剂在1 mol/L甲酸溶液、1 mol/L甲酸钠溶液和不同浓度的甲酸-甲酸钠混合溶液中的催化氧化活性发现,加入甲酸钠后不但抑制了的甲酸的非直接途径的氧化,而且增强了催化氧化甲酸的活性。在0.2 mol/L HCOOH-0.8 mol/L HCOONa混合溶液中,PtPd/C催化剂的催化氧化活性最高,主要是由于Pd与Pt的双功能机理作用以及PtPd/C催化剂的晶粒大小和载体的原因。此外,实验还显示催化剂的催化活性与催化剂的稳定性有很大关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池的发展背景
• 1.1.2 燃料电池的结构原理
• 1.1.3 燃料电池的发展
• 1.1.4 燃料电池的分类
• 1.1.5 燃料电池的特点
• 1.1.6 燃料电池的应用
• 1.1.7 燃料电池的未来发展
• 1.2 直接液体燃料电池
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池
• 1.2.2 直接甲酸燃料电池
• 1.3 金属纳米多孔材料的制备方法
• 1.3.1 金属纳米多孔材料的概述
• 1.3.2 金属纳米多孔材料的制备方法
• 1.4 本文研究目的与意义
• 1.5 参考文献
• 第二章 纳米孔催化剂的制备及其催化氧化甲醇的研究
• 2.1 模板规范电化学腐蚀法制备纳米多孔结构催化剂
• 2.1.1 前言
• 2.1.2 实验部分
• 2.1.3 结果与讨论
• 2.1.4 本节小结
• 2.1.5 参考文献
• 2.2 金纳米孔阵列催化氧化甲醇的研究
• 2.2.1 前言
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.4 本节小结
• 2.2.5 参考文献
• 第三章 Au-Sn合金纳米管催化剂的制备及其催化氧化甲醇的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料和设备
• 3.2.2 镀液的配制
• 3.2.3 样品的制备
• 3.2.4 样品表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 甲酸-甲酸盐混合燃料体系的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料和设备
• 4.2.2 电极的制备和溶液的配制
• 4.2.3 表征和电化学测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小节
• 4.5 参考文献
• 第五章 Pt-Pd催化剂氧化甲酸-甲酸盐混合溶液的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料和设备
• 5.2.2 电极的制备
• 5.2.3 电化学测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 5.5 参考文献
• 第六章 结论
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• English Section
• Chapter 1. Preparation of Metallic Nanopore Arrays using Template-guidedElectrochemical Etching
• Abstract
• 1.1 Introduction
• 1.2 Experimental section
• 1.3 Results and discussion
• 1.4 Conclusion
• 1.5 Supporting information
• 1.6 References
• Chapter 2. Oxidation Enhancement of Formic Acid by Adding Concentrated Formate:Principle for Direct Formic Acid-Formate Blended Fuel Cells （DFAFBFC）
• Abstract
• 2.1 Introduction
• 2.2 Experimental section
• 2.3 Results and discussion
• 2.4 Conclusion
• 2.5 Supporting information
• 2.6 References
• 学位论文评阅及答辩情况表