碳载Pd及碳载Pd-Au催化剂对甲酸电催化氧化的研究

论文摘要

本论文研究了碳载钯和碳载钯金催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化。用X-射线衍射（XRD）,透射电子显微镜（TEM）,能谱（EDS）和电化学比表面积（ESA）等方法对催化剂进行了表征。采用循环伏安法,线性扫描法,计时电流曲线法,测试了催化剂对甲酸电催化氧化的活性和稳定性;采用电化学阻抗法,常规脉冲伏安法及反向脉冲伏安法研究了甲酸氧化的反应机理。采用三种不同体系分别制备了Pd/C催化剂。实验结果表明,乙二醇体系制备的Pd/C催化剂对甲酸的电催化氧化具有较高的催化活性和较好的稳定性。乙二醇体系制备的Pd/C催化剂,Pd粒子的粒径约为4-5 nm。在Pd/C催化剂的制备过程中,加入表面活性剂P123能够增大催化剂的电化学比表面积,促进甲酸在Pd/C催化剂电极上的氧化。通过电化学阻抗法及脉冲伏安法研究发现,甲酸在Pd/C及Pt/C催化剂上的氧化机理不同,在较低电势,甲酸在Pd/C电极上以直接的方式氧化,而在Pt/C电极上只氧化到CO。在较高电势下,甲酸在Pd/C氧化速率是由甲酸吸附及氧化控制的;而甲酸在Pt/C电极上的氧化则是通过CO中间体这种间接的方式进行的。利用液相还原法制备了Pd-Au/C催化剂。实验结果表明,Au/C本身对甲酸没有明显的催化活性,但Au的加入,能够使催化剂中的金属Pd更好地分散,此外部分Au能够进入Pd的晶格,与Pd形成合金,因而能显著提高Pd/C催化剂对甲酸氧化的催化活性和稳定性。当Pd-Au原子比为3:1时,Pd-Au/C催化剂对甲酸电催化氧化的性能最佳。研究了甲酸在Pd-Au/C催化剂电极上电氧化的动力学过程,结果表明甲酸在Pd-Au/C电极上的氧化是完全不可逆的动力学过程,同时确定了甲酸在Pd-Au/C电极上氧化的动力学参数:电荷传递系数为0.21 ,扩散系数为1.0×10-7cm2·s-1。在不同温度下测试Pd-Au/C催化剂对甲酸电催化氧化的性能,发现Pd-Au/C催化剂对甲酸电催化氧化的活性随温度的升高而增大,其反应的活化能随电位的增加而增大,这说明电位越高,甲酸在Pd-Au/C催化剂电极上的氧化对温度越敏感。此外,还初步研究Pd-Co/C催化剂对甲酸的电催化氧化,但Pd-Co/C的制备方法及Pd与Co原子的最佳比例还有待进一步探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池的概述
• 1.1.1 燃料电池的发展历史及研究现状
• 1.1.2 燃料电池的特点
• 1.1.3 燃料电池的分类
• 1.1.4 燃料电池的结构和工作原理
• 1.2 直接甲醇燃料电池（DMFC）的发展
• 1.2.1 DMFC 研发的必要性
• 1.2.2 DMFC 的结构和工作原理
• 1.2.3 DMFC 目前存在的问题
• 1.3 直接甲酸燃料电池（DFAFC）的发展
• 1.3.1 直接甲酸燃料电池（DFAFC）研发的必要性
• 1.3.2 直接甲酸燃料电池（DFAFC）的结构和工作原理
• 1.3.3 甲酸氧化机理的研究
• 1.3.4 直接甲酸燃料电池（DFAFC）阳极催化剂的研究进展
• 1.3.5 影响阳极催化剂电催化活性的因素
• 1.3.6 Pd 基催化剂的制备方法
• 1.4 本文主要研究方向和内容
• 1.4.1 研究方向
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 试剂与材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 催化剂的制备
• 2.3.1 Pd/C 催化剂的制备
• 2.3.2 Pd-Au/C 催化剂的制备
• 2.3.3 Pd-Co/C 催化剂的制备
• 2.4 工作电极的制备
• 2.4.1 碳纸工作电极的制备
• 2.4.2 玻碳工作电极的制备
• 2.5 实验装置及电化学测试方法
• 2.5.1 实验装置
• 2.5.2 电化学测试
• 2.6 催化剂表征
• 2.6.1 X 射线衍射（XRD）谱
• 2.6.2 透射电镜（TEM）分析
• 2.6.3 电化学比表面（ESA）分析
• 2.6.4 能谱（EDS）分析
• 第3章 结果与讨论
• 3.1 Pd/C 催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化
• 3.1.1 不同体系制备的Pd/C 催化剂对甲酸的电催化氧化
• 3.1.2 加入表面活性剂P123 制备的Pd/C 催化剂对甲酸的电催化氧化
• 3.1.3 电化学阻抗法及脉冲伏安法研究Pd/C 及Pt/C 电极的反应机理
• 3.1.4 小结
• 3.2 Pd-Au/C 催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化
• 3.2.1 不同比例的Pd-Au/C 催化剂的制备及表征
• 3.2.2 甲酸在Pd-Au/C 催化剂电极上的电催化氧化特性
• 3.2.3 甲酸在 Pd-Au/C 催化剂电极上电催化氧化动力学参数的研究
• 3.2.4 温度对甲酸在Pd-Au/C 催化剂电极上电催化氧化的影响
• 3.2.5 小结
• 3.3 Pd-Co/C 催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化
• 3.3.1 不同比例的 Pd-Co/C 催化剂对甲酸的电催化氧化
• 3.3.2 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢