钯纳米粒子的电化学合成、伏安表征和电催化活性研究

论文摘要

燃料电池是绿色、高效的新型发电装置,其中直接甲醇燃料电池(DMFC)是目前研究最为广泛的一种燃料电池,其特点有:以便于储存和运输的甲醇作为燃料,具有较高的能量转化效率,是十分理想的可移动或者小型化能源之一,在交通、通讯、军事、航天等方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。现在DMFC研究中的一个关键技术问题是如何提高催化剂的催化活性、抗中毒能力和降低催化剂中铂的载量。铂是目前使用最广的阳极催化剂,但其缺点是成本高,而且抗中毒能力差。因此制备价格较低、催化活性又比较高的其它金属或者合金纳米粒子作为甲醇氧化的电催化剂是一项重要的研究课题。催化剂的活性与其颗粒大小、形状、表面形态等因素密切有关,因此制备粒径可控、分散性好的纳米粒子催化剂是提高燃料电池性能的关键技术之一。电化学方法合成纳米粒子一直受到人们很大的关注,其优点是操作简单、方便,所得产物纯度高,并且可以通过调节电流和电位很好地控制纳米粒子的尺寸和形貌。本论文中,在水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的存在下,通过电化学方法直接还原氯钯酸可以得到大量尺寸可控的钯纳米粒子。PVP的存在极大促进了钯纳米粒子的形成并抑制了钯在铂电极上的电化学沉积,同时还有效保护了形成的钯纳米粒子。与静止的工作电极相比,本文中使用的旋转阴极可以使阴极/溶液界面处合成的金属纳米粒子可以很快地离开阴极区域,进入体相溶液,从而避免纳米粒子间的团聚。在实验过程中,通过调节电流和PVP的浓度得到了尺寸可控,粒径均匀,单分散性良好的钯纳米粒子,并用TEM等研究手段进行了表征。电化学测试表明电化学方法合成得到的钯纳米粒子表现出了明显不同于块体钯的伏安特性和对甲醇电催化氧化较高的电催化活性。这些发现为探索燃料电池催化剂提供了一条新的途径,并在一定程度上促进了燃料电池研究的发展。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料的研究进展
• 1.2 钯纳米粒子的研究进展
• 1.3 燃料电池的研究进展
• 1.4 本论文的研究目的及设想
• 1.5 参考文献
• 第二章 实验
• 2.1 试剂
• 2.2 电极材料和电解池
• 2.3 仪器
• 2.4 实验方法
• 2.5 参考文献
• 第三章 钯纳米粒子的电化学合成
• 3.1 PVP在抑制钯电沉积过程中的作用
• 3.2 不同实验条件对钯纳米粒子合成的影响
• 3.2.1 传质过程的影响
• 3.2.2 电流密度和电解时间的影响
• 3.2.3 PVP链长和浓度对钯纳米粒子的影响
• 3.2.4 陈化时间的影响
• 3.3 本章小节
• 3.4 参考文献
• 第四章 钯纳米粒子的伏安表征及电催化活性研究
• 4.1 钯纳米粒子的伏安表征
• 4.2 钯纳米粒子的电催化活性
• 4.3 本章小结
• 4.4 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况