Pt基有序金属间化合物的制备及电化学性能研究

论文摘要

直接醇类燃料电池（direct alcohol fuel cells,DAFC）,是以甲醇、乙醇、异丙醇和甲酸等有机小分子作为燃料的新型低温燃料电池。然而,阳极电催化剂的中毒问题,影响了整个燃料电池的性能及使用寿命。本论文主要研究PtPb、PtSn、PtBi有序金属间化合物的制备及在乙醇、甲酸体系中的电化学性能,并使用X-射线衍射方法对所制备的催化剂的物相和粒径进行表征。结果表明:液相还原法制备PtPb、PtSn、PtBi有序金属间化合物时,高分子稳定剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的用量、反应温度及溶液中各元素的原子比对催化剂的性能具有不同程度的影响。在乙醇的电氧化反应中,PVP用量为170mg,反应温度为170℃时,溶液中Pt与Pb原子比为1:1而得到的PtPb/C催化剂的催化性能最好。在制备有序金属间化合物PtSn/C催化剂过程中,随着PVP用量的增加,PtSn合金的有序化程度发生变化,影响了该催化剂的电催化性能,最佳用量为170mg。液相反应的温度也会对催化剂的活性产生影响,最佳温度为240℃。在一定原子比范围内,随着溶液中Pt原子含量的增加,PtSn/C催化剂的电催化活性也随之增强,最佳原子比为Pt:Sn=3:1。通过对该催化剂在乙醇和甲酸中的性能测试,发现PtSn/C催化剂比商用Pt/C催化剂性能有了一定的提高。常温下,PVP用量为100mg,Pt/Bi原子比1:3时,有序金属间化合物PtBi/C对乙醇氧化的催化性能最佳。在乙醇和甲酸体系中,我们对所制备的催化剂进行交流阻抗的测试,提出了等效电路模型,以此对实验结果进行了拟合。在此基础上分析了PtPb/C、PtSn/C、PtBi/C催化剂在乙醇和甲酸体系的反应机理。并首次运用旋转圆盘电极对有序金属间化合物PtBi/C催化剂在乙醇体系中的反应机理进行研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池发展历程
• 1.1.2 燃料电池的特点
• 1.1.3 燃料电池分类
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.3 直接醇类燃料电池
• 1.3.1 直接醇类燃料电池的工作原理
• 1.3.2 直接醇类燃料电池面临的问题
• 1.3.3 直接醇类燃料电池可用的燃料
• 1.4 直接醇类燃料电池阳极催化剂的研究
• 1.4.1 催化剂组分对催化剂性能影响的研究
• 1.4.2 催化剂的结构因素对催化剂性能的影响的研究
• 1.5 有序金属间化合物
• 1.5.1 有序金属间化合物的发展历史
• 1.5.2 有序金属间化合物的特点
• 1.5.3 有序金属间化合物在燃料电池中的应用
• 1.6 本论文的工作
• 1.6.1 研究方向
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 测试方法介绍
• 2.1 电化学测试
• 2.1.1 电化学性能测试示意图
• 2.1.2 电极体系
• 2.1.3 电化学测试手段
• 2.2 X-射线衍射分析（XRD）
• 第三章 有序金属间化合物PtPb 的制备与性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 仪器与试剂
• 3.1.2 有序金属间化合物PtPb 催化剂的制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 PtPb/C 催化剂在乙醇中的性能研究
• 3.2.2 PtPb/C 催化剂的XRD 表征
• 3.2.3 PtPb/C 催化剂的交流阻抗测试
• 3.2.4 PtPb/C 催化剂在甲酸中的性能研究
• 3.2.5 PtPb/C 催化剂在甲酸体系中的交流阻抗测试
• 3.3 本章小节
• 第四章 有序金属间化合物PtSn 的制备与性能研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 仪器与试剂
• 4.1.2 有序金属间化合物PtSn 催化剂的制备
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 PtSn/C 催化剂在乙醇中的性能研究
• 4.2.2 PtSn/C 催化剂的交流阻抗测试
• 4.2.3 PtSn/C 催化剂在甲酸中的性能研究
• 4.2.4 PtSn/C 催化剂在甲酸体系中的交流阻抗测试
• 4.3 本章小节
• 第五章 有序金属间化合物PtBi 的制备与性能研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 仪器与试剂
• 5.1.2 有序金属间化合物PtBi 催化剂的制备
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 PtBi/C 催化剂在乙醇中的性能研究
• 5.2.2 PtBi/C 催化剂的XRD 表征
• 5.2.3 PtBi/C 催化剂与商用Pt/C 催化剂对乙醇催化活性的比较
• 5.2.4 PtBi/C 催化剂在甲酸中的性能研究
• 5.2.5 PtBi/C 催化剂在甲酸体系中的交流阻抗测试
• 5.2.6 PtBi/C 催化剂在旋转圆盘电极上的电化学测试
• 5.3 本章小节
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢