Ni，Co，Fe，Mo，W掺杂的Pt/C在碱性介质中电催化氧还原的性能研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）因甲醇来源丰富、价格便宜、毒性小、易于携带和储存、能量密度高等特点，被认为是最具有应用前景的移动电源之一。不过，目前广泛研究的质子膜直接甲醇燃料电池（PEM-DMFC）存在着阳极电催化剂活性低和“甲醇渗透”两大问题。阴离子膜直接甲醇燃料电池（AEM-DMFC），采用碱性体系，阴阳极反应环境优越，反应过电位较低，电渗析与甲醇渗透方向相反，甲醇进入阴极的速率减小，电池功率密度和发电效率可望明显高于PEM-DMFC。因此，AEM-DMFC正逐渐受到人们的重视。碱性条件下，阴极氧还原电催化材料的研究和应用多集中于Pt／C和Ag/C，因其活性和抗甲醇性不足，反应过电位较高，AEM-DMFC的优势并未得到充分体现。开发新型的阴极电催化剂成为提高AEM-DMFC性能的关键问题。Ni、Co、Fe、Mo、W的成键d电子数依次降低，通过掺杂这些过渡金属元素可以不同程度地改变纳米Pt的d电子结构和Pt-Pt键长，从而调变Pt／C电催化氧还原的活性和抗甲醇性。本文应用溶胶法制备碳载Pt-M（M为Ni、Co、Fe、Mo、W），应用XRD、EDS、XPS技术对其进行活性物微观结构及组成表征，电位线性扫描伏安法测试催化剂活性和抗甲醇性。研究表明，制备的Pt基合金微粒基本呈圆形，金属颗粒在活性炭表面上分布均匀，粒径也较为均匀，粒径范围约2～4 nm，晶型结构仍以Pt面心立方晶系存在，晶面以Pt（111）居多，掺杂的元素原子未单独形成单质颗粒，而是以Pt-M合金的形式存在。Pt-Ni／C催化剂表面的Pt元素以0价和正4价的形态存在，Ni元素主要以NiO、Ni2O3的形态存在。Ni、Co、Fe、Mo与Pt形成的Pt-M／C催化剂的活性与合金中元素M的掺杂量呈抛物线形关系，即“火山型”关系。Pt-M／C和Pt／C催化剂随电解液的碱性增加，氧电还原起始反应过电位变大，最大反应流减小，催化活性降低。相同碱性条件下不同催化剂活性顺序为：Pt50Mo50／C＞Pt50Fe50／C＞Pt50Ni50／C＞Pt50Co50／C＞Pt／C＞Pt50W50／C，抗甲醇性顺序为：Pt50Mo50／C＞Pt50Co50／C＞Pt50Fe50／C＞Pt50Ni50／C＞Pt／C＞Pt50W50／C，适量Mo元素的掺杂可显著促进Pt／C催化剂的活性和抗甲醇性，Fe、Co、Ni元素的掺杂有较好的促进作用，W元素的掺杂则降低了Pt／C催化剂的活性和抗甲醇性。理论分析认为，Pt的成键d电子的偏移（即电子因素）是掺杂Mo、Fe、Co后Pt／C催化剂活性提高的主要因素；掺杂Ni原子为Pt／C金属表面增添了新型活性中心，对纳米Pt的活性提高起到了重要作用。其中，Pt50Mo50／C在0.1 mol／LKOH溶液中最大电流达到107 mA／mg，氧电还原起始过电位比Pt／C小200mV，最大反应电流是Pt／C的1.35倍；在0.1 mol／L KOH+0.5 mol／L CH3OH溶液中最大反应电流较无甲醇电解液情况，仅减小了3.7％，氧电还原起始电位负移0.05 V，而Pt／C的最大电流减小了27％，氧电还原起始电位负移0.05 V，Pt50Mo50／C的抗甲醇能力最强；Pt50Mo50／C的活性对pH值变化的适应性最强，电解液中KOH浓度分别为0.5 mol／L、1.0 mol／L和2.0 mol／L时的最大电流，与0.1 mol／L KOH电解液中的最大电流相比，仅分别减小了6％，22％和41％，远小于Pt/C的16％，39％和62％。Pt50Ni50／C具有与Pt／C一样高的活性稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述及选题
• 1.1 直接甲醇燃料电池的发展概况
• 1.2 DMFC存在的问题与AEM-DMFC的提出
• 1.3 AEM-DMFC与PEM-DMFC的比较
• 1.4 碱性条件下氧电催化还原的反应历程及氧在电极上的吸附机理
• 1.4.1 氧电催化还原反应历程
• 1.4.2 氧分子在电极表面的吸附
• 1.5 碱性条件下氧电还原的催化剂
• 1.5.1 纯金属Pt/C催化剂
• 1.5.2 Pt基合金催化剂
• 1.5.3 非铂的金属催化剂
• 1.5.4 过渡金属大环化合物
• 1.5.5 金属氧化物催化剂
• 1.6 DMFC电催化剂的制备方法
• 1.6.1 浸渍法
• 1.6.2 化学共沉淀法
• 1.6.3 离子交换法
• 1.6.4 气相还原法
• 1.6.5 电化学方法
• 1.6.6 高温合金化法
• 1.6.7 溶胶凝胶法
• 1.6.8 其它方法
• 1.7 电催化剂的设计
• 1.8 本文的研究工作
• 1.8.1 研究方向
• 1.8.2 研究工作
• 第二章 实验部分
• 2.1 仪器与试剂
• 2.2 实验
• 2.2.1 电催化剂的制备
• 2.2.2 电极的制备
• 2.2.3 催化剂的表征
• 2.2.4 电化学测试
• 第三章 电催化剂的物理表征
• 3.1 催化剂的XRD表征
• 3.2 催化剂的EDS表征
• 3.3 催化剂的XPS表征
• 第四章 Pt基二元合金电化学实验结果与讨论
• 4.1 Pt-Ni/C系催化剂活性及抗甲醇性实验结果与讨论
• 4.1.1 Ni的掺杂量对Pt/C催化剂活性的影响
• 4.1.2 Ni的掺杂量对Pt/C催化剂抗甲醇性的影响
• 50Ni₅₀/C电催化还原氧活性的影响'>4.1.3 甲醇浓度对Pt₅₀Ni₅₀/C电催化还原氧活性的影响
• 4.1.4 电解液的pH值对Pt-Ni/C电催化还原氧活性的影响
• 4.2 Pt-Co/C系催化剂活性及抗甲醇性实验结果与讨论
• 4.2.1 Co的掺杂量对Pt/C催化剂活性的影响
• 4.2.2 Co的掺杂量对Pt/C催化剂抗甲醇性的影响
• 80Co₂₀/C电催化还原氧活性的影响'>4.2.3 甲醇浓度对Pt₈₀Co₂₀/C电催化还原氧活性的影响
• 4.2.4 电解液的pH值对Pt-Co/C电催化活性的影响
• 4.3 Pt-Fe/C系催化剂活性及抗甲醇性实验结果与讨论
• 4.3.1 Fe的掺杂量对Pt/C催化剂活性的影响
• 4.3.2 Fe的掺杂量对Pt/C催化剂抗甲醇性的影响
• 50Fe₅₀/C电催化还原氧活性的影响'>4.3.3 甲醇浓度对Pt₅₀Fe₅₀/C电催化还原氧活性的影响
• 4.3.4 电解液的pH值对Pt-Fe/C电催化还原氧活性的影响
• 4.4 Pt-Mo/C系催化剂活性及抗甲醇性实验结果与讨论
• 4.4.1 Mo的掺杂量对Pt/C催化剂活性的影响
• 4.4.2 Mo的掺杂量对Pt/C催化剂抗甲醇性的影响
• 50Mo₅₀/C电催化还原氧活性的影响'>4.4.3 甲醇浓度对Pt₅₀Mo₅₀/C电催化还原氧活性的影响
• 4.4.4 电解液的pH值对Pt-Mo/C电催化还原氧活性的影响
• 4.5 Pt-W/C系催化剂活性及抗甲醇性实验结果与讨论
• 4.5.1 W的掺杂量对Pt/C催化剂活性的影响
• 4.5.2 W的掺杂量对Pt/C催化剂抗甲醇性的影响
• 50W₅₀/C电还原氧活性的影响'>4.5.3 甲醇浓度对Pt₅₀W₅₀/C电还原氧活性的影响
• 4.5.4 电解液的pH值对Pt-W/C电还原氧活性的影响
• 4.6 不同催化剂活性和抗甲醇性比较
• 4.6.1 不同催化剂活性比较
• 4.6.2 不同催化剂抗甲醇性比较
• 50Ni₅₀/C的活性稳定性'>4.6.3 Pt₅₀Ni₅₀/C的活性稳定性
• 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文