石墨烯负载铂及非铂合金催化剂研究

论文摘要

目前,质子交换膜燃料电池所用的催化剂为Pt/C催化剂。在燃料电池的长时间运行过程中,催化剂的催化活性会因碳载体的腐蚀,Pt溶解、Pt迁移团聚及Pt中毒等而逐渐退化,这是导致PEMFC目前尚不能商业化应用的重要原因之一。因此,选用更稳定载体制备PEMFC催化剂和寻求非Pt催化剂成为这一领域的热点和具有挑战性的课题。首先,本文通过采用直接化学还原法,以金属钠为还原剂,四氯乙烯为碳源,在石蜡油中不经氧化石墨（GO）和氧化石墨烯（GrO）而直接制备石墨烯（Gr）,然后担载Pt纳米粒子于Gr基体上,得到Pt/Gr催化剂,并对其催化氧还原（OR）性能进行了研究。通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和电化学测试对合成催化剂的结构、形貌和电化学性质进行了表征。实验结果表明:所制备的Pt/Gr催化剂具有较好的分散性,平均粒径为3.1 nm;氧还原起始电位比商业JM-Pt/C催化电极正移了30 mV;交换电流密度达到1×10-3mA·cm-2,是商业JM-Pt/C催化电极的2.5倍。此外,本文通过改进液相还原法制备了合金化的Pd-Au/MCNTs催化剂,即以四氢呋喃为络合剂, NaBH4还原剂,制得相对结晶度和平均粒径较小、对甲酸氧化的电催化性能好的纳米催化剂,经软件MDI Jade 5.0分析得合金催化剂粒径大小约为4.9nm。实验结果表明:Au能提高Pd催化剂对甲酸氧化的电催化活性和稳定性,在0. 5 mol/L H2SO4+0. 5mol/L HCOOH溶液中,相比于非合金化催化剂,合金化催化剂的甲酸氧化峰电流高达55.3mA/cm2,峰电位也明显负移了约120 mV。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 低温燃料电池概述
• 1.1.1 PEMFC 基本结构和工作原理
• 1.1.2 PEMFC 阴极氧还原理论基础
• 1.1.3 PEMFC 阳极氧化的理论基础
• 1.1.4 PEMFC 的优点
• 1.1.5 PEMFC 面临的挑战
• 1.2 PEMFC 电催化剂
• 1.2.1 PEMFC 电催化剂的研究进展
• 1.2.2 传统负载型电催化剂的制备技术
• 1.3 PEMFC 电催化剂载体
• 1.3.1 PEMFC 电催化剂载体的研究进展
• 1.3.2 Gr 的制备方法及应用
• 1.4 本课题的研究思路和主要内容
• 1.4.1 研究背景和研究思路
• 1.4.2 研究内容
• 2 实验设计和表征方法
• 2.1 实验试剂与材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 旋转圆盘电极（RDE）的预处理
• 2.3.2 RDE 的制备
• 2.4 Pt/Gr 催化剂的表征方法
• 2.4.1 形貌及结构表征
• 2.4.2 Pt/Gr 催化剂的电化学活性的评价
• 3 石墨烯负载 Pt 催化剂的制备及催化氧还原性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 Gr 和Pt/Gr 催化剂的制备
• 3.2.2 催化剂的表征测试
• 3.2.3 电催化性能评价
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 XRD 和TEM 结果分析
• 3.3.2 电化学性能测试
• 3.4 本章小结
• 4 钯金催化剂的制备及其甲酸氧化的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 Pd-Au/MCNTs 催化剂的制备
• 4.2.2 Pd-Au /MCNTs 催化剂的表征测试
• 4.2.3 Pd-Au /MCNTs 电催化性能评价
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 催化剂XRD 表征
• 4.3.2 Pd-Au /MCNTs 催化剂电化学性能
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录