基于Pt/PPy/MWNTs复合材料的甲醇电氧化催化剂研究

论文摘要

为了提高贵金属Pt的利用率,传统的DMFC催化剂采用碳材料作为载体,但碳材料存在气体渗透性不好、不能导质子的问题,而Pt催化剂粒子必须同时具有电子、质子和气体通道才能起到催化效果,因而传统碳载Pt催化剂,Pt的利用率低。MWNTs表面相对的化学惰性和存在的缺陷,使催化剂粒子不能均匀的分散在其表面上,而且在催化反应过程中分散的纳米颗粒容易相互团聚起来,使催化活性很快衰退。聚吡咯（PPy）作为导电聚合物中典型的一员,对许多化合物的氧化还原反应具有良好的催化作用,其多孔结构可为负载催化剂提供高比表面,被认为是电催化氧化甲醇过程中Pt催化剂高度分散的合适体系,有助于加速甲醇直接氧化成CO2,减少COads毒性中间物的形成,提高催化性能。然而,单一使用聚吡咯的缺点是,聚吡咯自身的导电性较碳类材料差很多,会影响催化过程中电子的传递进而使催化活性受损,稳定性也不如碳材料,限制其应用。为了解决这一问题,本课题设计将PPy与多壁碳纳米管（MWNTs）复合,得到兼备两者的性质复合材料,再以其为载体负载Pt催化剂,制备一种Pt/PPy/MWNTs复合材料,应用于电催化氧化甲醇反应中,希望通过其协同效应,提高复合催化剂对甲醇电催化氧化的稳定性。本论文研究的主要内容是通过调整反应条件,制备包含Pt、PPy、MWNTs的复合材料。复合材料的制备过程包括两个步骤:先采用原位化学聚合法合成一系列PPy/MWNTs复合材料,通过SEM&TEM、元素分析、XRD、红外光谱以及电导率测试,对其进行性能表征,从中选取最适合的复合材料作为Pt催化剂的载体;再采用化学还原法,通过调节载铂反应的介质,制备Pt/PPy/MWNTs三层复合纳米材料。SEM&TEM结果显示,PPy层均匀包裹在MWNTs表面,为Pt粒子分散提供高的比表面,复合材料载Pt后,Pt粒子分散均匀,无团聚,密布在其表面,粒子尺寸为5nm。循环伏安和计时电流测试表明,此复合材料对甲醇的电催化氧化性能稳定,与单纯Pt/MWNTs催化剂相比,抗CO中毒能力提高明显,可能是由于Pt与PPy间的协同作用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 导电聚吡咯/碳纳米管复合材料概述
• 1.1.1 聚吡咯的结构特征及性质简介
• 1.1.2 导电聚合物/碳纳米管复合材料的结构特征及性质
• 1.1.3 导电聚合物/碳纳米管复合材料的制备
• 1.1.4 聚吡咯/碳纳米管复合材料的研究现状
• 1.2 甲醇电氧化Pt催化剂对载体的要求
• 1.2.1 甲醇电化学氧化过程及机理
• 1.2.2 纳米碳材料作为Pt催化剂载体的研究现状
• 1.2.3 导电聚合物作为Pt催化剂载体的研究现状
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 合成Pt/PPy/MWNTs复合材料的设计思路
• 1.4 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验设计与研究方法
• 2.1 试剂与仪器
• 2.1.1 药品及处理
• 2.1.2 主要仪器
• 2.2 Pt/PPy/MWNTs复合材料的制备
• 2.2.1 MWNTs的纯化及表面修饰
• 2.2.2 PPy/MWNTs复合材料的制备
• 2.2.3 Pt/PPy/MWNTs复合材料的制备
• 2.3 结构与性能表征
• 2.3.1 结构分析
• 2.3.2 形态学分析
• 2.3.3 电性能分析
• 参考文献
• 第三章 PPy/MWNTs复合材料的制备及性能研究
• 3.1 MWNTs的表面修饰
• 3.1 1 形貌观察
• 3.1.2 红外结构分析
• 3.1.3 分散性测试
• 3.1.4 电化学性能
• 3.2 PPy/MWNTs复合材料的制备条件与结构性能关系
• 3.2.1 Py/MWNTs投料比对结构、形貌和电导率的影响
• 3.2.2 氧化剂APS用量对产率和电导率的影响
• 3.2.3 聚合介质性质对形貌的影响
• 3.2.4 掺杂酸对电导率的影响
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Pt/PPy/MWNTs复合材料的制备及性能研究
• 4.1 反应介质对复合材料中Pt形貌的影响
• 4.2 Pt/PPy/MWNTs复合材料的XRD分析
• 4.3 Pt/PPy/MWNTs复合材料对甲醇的电氧化性能分析
• 4.4 复合材料的抗中毒机理探讨
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 5.1 PPy/MWNTs复合材料的制备及表征
• 5.2 Pt/PPy/MWNTs复合材料的制备及表征
• 5.3 Pt/PPy/MWNTs复合材料对甲醇的电氧化性能研究
• 硕士期间参与研究课题
• 硕士学习期间发表的论文和专利
• 致谢