三氧化钨微球的表面改性及对甲醇电催化性能研究

来源 :江西理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sarahfung
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甲醇氧化反应(MOR)因其在直接甲醇燃料电池发展中的重要作用而受到广泛地关注。由于三氧化钨(WO3)在酸性介质环境中稳定性好的特点,故常被作为一种性能良好的燃料电池催化剂的载体。然而WO3被作为催化剂载体使用时,由于存在着较差的导电性能以及较小的比表面积等方面的缺陷限制了其在直接甲醇燃料电池中的应用。本文主要从减小WO3的带隙和增加它的导电性能两个方面来着手,以此提高催化剂的电催化活性并且降低催化剂的成本。首先利用第一性原理筛选掺杂元素并优化掺杂位置,同时调控其微孔结构与电子结构,提升电导率的同时促进反应物的传输,实现催化剂活性的提升;最后研究掺杂三氧化钨的可控合成策略,进一步验证理论计算结果。(1)利用第一性原理计算了WO3、N-WO3和S-WO3三种体相的能带结构和局域态密度,N和S掺杂之后的WO3带隙值出现明显降低。通过吸附能的进一步计算,发现N-WO3(0001)表面吸附Pt团簇后很难再去吸附CO,此外三种表面对CO的吸附能依次为:Pt/N-WO3-CO>Pt/S-WO3-CO>Pt/WO3-CO。采用差分电荷密度及电子局域化函数深入分析了WO3、S-WO3、N-WO3三种体相(0001)表面与Pt团簇、CO分子之间电子相互作用的本质。结果显示:N、S原子的引入可以大幅度促进表面电荷的积累和再分配,有效降低CO与Pt团簇间的相互作用,催化剂对CO的耐受性得以改善。(2)通过喷雾干燥法和焙烧相结合的方法制备了具有介孔结构的氮掺杂WO3微球,在其表面负载贵金属Pt。采用TEM、SEM和XRD测试来分析载体以及催化剂的形貌结构和物相分布,结果显示:氮元素成功掺入到微球上,Pt纳米粒子均匀地分散在载体表面。通过固体紫外光谱测试计算了N-WO3的带隙值是2.21 e V,WO3的带隙值是2.52e V。然后,通过循环伏安(CV)、计时电流(It)、阻抗(EIS)等测试手段,进一步分析各催化剂的甲醇氧化性能。测试结果表明:Pt/N-WO3催化剂对应的甲醇第一次氧化峰的峰电流密度为510 m A/mg,其值分别是JM Pt/C(298 m A/mg)和Pt/WO3(230m A/mg)的1.7和2.2倍。因此,Pt/N-WO3催化剂对甲醇氧化表现出更强的催化活性;为时6000 s的计时电流测试结果显示:Pt/N-WO3催化剂的电流密度总是比JM Pt/C和Pt/WO3大,这说明进行氮掺杂的氧化钨微球作为载体能有效提高Pt对甲醇在阳极氧化时的抗CO中毒性以及稳定性;阻抗结果表明:Pt/N-WO3催化剂的阻抗远远小于Pt/WO3。(3)利用喷雾干燥法和焙烧法相结合的方法制备了具有介孔结构的硫掺杂WO3微球,在其表面负载贵金属Pt,最终完成Pt/S-WO3催化剂的制备。通过固体紫外光谱测试计算了S-WO3的带隙值是2.30 e V,WO3的带隙值是2.52 e V。SEM和TEM测试结果显示:与WO3微球相比,S-WO3微球结构并未发生很大的改变,Pt纳米粒子分散在WO3微球的表面。采用循环伏安、阻抗以及计时电流法研究了在酸性溶液中Pt/S-WO3催化剂的电催化氧化性能,Pt/S-WO3催化剂的氧化峰电流密度为480 m A/mg,高于JM Pt/C(298 m A/mg)和Pt/WO3(230 m A/mg)催化剂的活性。结果说明Pt/S-WO3催化剂比JM Pt/C和Pt/WO3催化剂对甲醇氧化表现出更高的电催化氧化活性。
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