碳原子线对于甲醇电化学氧化的作用

论文摘要

由本实验室合成的新型碳材料，碳原子线（carbon atom wires，CAWs），不仅可用作甲醇电化学氧化反应的催化剂载体，而且对该反应还兼具助催化作用。利用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等手段对碳原子线合成产物的形貌、结构进行了表征；采用循环伏安法考察了Pt／CAWs／G电极在甲醇氧化过程中的电催化性能，并与以VulcanXC—72活性碳粉为载体的Pt／XC／G电极作比较。实验表明，与Pt／XC／G电极相比，在相同Pt沉积电量的情况下，Pt／CAWs／G电极上的Pt表面积增加1倍，循环伏安曲线（CV）上的甲醇氧化峰电流密度增加1.4倍。碳原子线的结构、形貌与其制备条件有关。研究了CAWs制备条件，如催化剂含量、热解温度等，对于Pt／CAWs／G电极对甲醇电催化氧化的影响。实验表明，CAWs的最佳制备条件是热解温度为，750℃，催化剂与热解前驱体的质量比为8‰。由于铁、钴、镍作为过渡金属具有许多相似的化学性质，我们尝试以钴、镍代替铁作为催化剂制备CAWs。实验表明，在相同Pt沉积电量的情况下，Pt／CAWs（Ni）／G电极的Pt的表面积比Pt／CAWsFe／G电极增加50％，Pt／CAWs（Co）／G电极的Pt的表面积与Pt／CAWs（Fe）／G电极相近，三种电极在循环伏安曲线上的甲醇氧化峰电流密度相近。相对于Pt／CAWsFe／G电极而言，Pt／CAWs（Ni）／G电极和Pt／CAWs（Co）／G电极对甲醇氧化的稳定性稍有增强。CAWs经过硝酸处理可以起到纯化和增加表面基团的作用，从硝酸处理前后的CAWs红外光谱得知，经硝酸处理的碳原子线具有更多的羟基和羧基。在对甲醇的电催化氧化中，相同Pt沉积电量的情况下，由经硝酸处理的碳原子线作载体的Pt／CAWs（硝酸）／G电极的Pt的表面积与未经硝酸处理的碳原子线作载体的Pt／CAWs／G电极相近，Pt／CAWs（硝酸）／G电极在循环伏安曲线上的甲醇氧化峰电流密度比Pt／CAWs／G电极高1倍左右，在稳定性方面Pt／CAWs（硝酸）／G电极明显优于Pt／CAWs／G电极。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1.碳原子线（Carbon Atom Wires）
• 1.2 燃料电池简介
• 1.3 直接甲醇燃料电池（DMFC）简介
• 1.3.1 DMFC的工作原理
• 1.3.2 甲醇电催化氧化机制研究
• 1.3.3 直接醇类燃料电池（DMFC）助催化剂的研究
• 1.3.3.1 阳极电催化剂中助催化剂的研究
• 1.3.3.2 阴极电催化剂中助催化剂的研究
• 1.3.4 碳载体
• 1.3.4.1 VulcanXC-72活性碳粉
• 1.3.4.2 多孔碳与介孔碳（porous carbon and mesoporous carbon）
• 1.3.4.3 碳纳米管（carbon nano tubes,CNT）
• 1.3.4.4 碳（石墨）纳米纤维（carbon nanofiber or graphite nanofiber,CNF or GNF）
• 1.3.4.5 中间相碳微球（mesocarbon microbeads,MCMB）
• 1.3.4.6 碳气凝胶（carbon aegogels,CAs）
• 60)'>1.3.4.7 富勒烯(fullerene,C₆₀)
• 1.3.4.8 碳纳米盘（carbon nanocoil, CNC）
• 1.3.4.9 碳纳米分子筛（carbon nano molecular sieve,CNMS）
• 1.4 本文研究目的和论文各部分的主要内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 论文各部分的主要内容
• 参考文献
• 第二章 碳原子线对于甲醇电化学氧化的作用
• 2.1 碳原子线对于甲醇电化学氧化的作用
• 2.1.1 仪器和试剂
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.3 结果与讨论
• 2.1.3.1 CAWs/G电极对于甲醇的电化学氧化反应的作用
• 2.1.3.2 Pt/CAWs/G电极对于甲酵的电化学氧化的作用
• 2.1.3.3 CAWs制备中的催化剂对于甲醇的电化学氧化的影响
• 2.1.3.4 Pt/CAWs/G电极的稳定性考察
• 2.2 影响甲醇电化学氧化的因素
• 2.2.1 仪器和试剂
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 结果与讨论
• 2.2.3.1 Pt沉积电位对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 2.2.3.2 Pt沉积电量对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 2.2.3.3 温度对甲醇氧化的影响
• 2.2.3.4 扫描速率的影响
• 4还原法制备Pt/CAWs/G电极对甲醇的电催化性能'>2.2.3.5 NaBH₄还原法制备Pt/CAWs/G电极对甲醇的电催化性能
• 2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 CAWs的制备条件对Pt/CAWs/G电极电催化活性影响
• 3.1 仪器和试剂
• 3.2 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 铁催化剂
• 3.3.1.1 催化剂铁的含量对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 3.3.1.2 CAWs制备温度对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 3.3.2 镍催化剂
• 3.3.2.1 Pt/CAWs/G电极对甲醇的电催化氧化
• 3.3.2.2 催化剂镍含量对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 3.3.2.3 制备CAWs时的热解温度对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 3.3.2.4 Pt/CAWs/G电极的稳定性考察
• 3.3.3 钴催化剂
• 3.3.3.1 Pt/CAWs/G电极对甲醇的电催化氧化
• 3.3.3.2 催化剂钴含量对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 3.3.3.3 制备CAWs时的热解温度对Pt/CAWs/G电极电催化性能的影响
• 3.3.3.4 Pt/CAWs/G电极的稳定性考察
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 CAWs的硝酸处理对Pt/CAWs/G电极的电催化活性影响
• 4.1 仪器和试剂
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 硝酸处理前后碳原子线的红外光谱
• 4.3.2 硝酸处理前后PtCAWs/G电极对甲醇的电化学氧化反应的作用
• 4.3.3 硝酸处理时间的影响
• 4.3.4 硝酸浓度的影响
• 4.3.5 硝酸处理温度的影响
• 4.3.6 Pt/CAWs/G电极的稳定性考察
• 硕士期间发表的论文
• 致谢