高活性甲醇铂钯催化剂的制备及其电化学性能研究

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传统能源的使用带来了环境污染和能源危机两个问题,新能源的开发利用显得特别重要。其中,直接甲醇燃料电池(DMFC)由于其具有高能量密度、低污染排放、低的操作温度和易携带、便宜等优点而受到研究者的广泛研究。但是阳极催化剂对甲醇的电催化性能太低以及稳定性太差使得DMFC的商业化受到限制。因而,制备高效的阳极催化剂、缩小贵金属的应用能够减小催化剂的成本。本文从载体材料、催化剂组成、表面结构、制备措施等方面着手合成了一系列催化剂,并研究其在碱性条件下对甲醇的电催化活性和抗毒化能力。具体工作包括以下几个方面:(1)引入组氨酸修饰的多壁碳纳米管作为载体,电沉积制备PtPd纳米粒子。沉积过程采用电化学阶跃方法,设置包括最低电压EL为-0.15 V,最高电压EH为0.7 V,此方法原理简单、易操作,同时对纳米粒子的粒径有很好的控制。次工作考察了氨基酸的种类、沉积电压和沉积时间等条件对催化活性的影响。所制备的修饰电极用SEM、EDS、XPS和电化学技术进行表征。(2)通过采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为表面活性剂和形貌导向剂,用水合肼一步法还原Na2PdCl4、H2PtCl6和CuC l2,制备枝状的CuPtPd三金属异质结构。PVP在反应过程中起到了形貌控制的作用。合成的枝状结构具有高度开放的结构,平均粒径30 nm,可以为电催化提供更多活性位点。经过对碱性条件下甲醇的催化性能的考察,该催化剂表现出较高的催化性能和较好的抗毒化能力。(3)使用金纳米粒子作为金属载体,在氯代十六烷基吡啶(CTAC)存在下,在金纳米粒子表面一步水热法原位还原Na2PdCl4和H2PtCl6,纳米粒子呈现出海葵状。CTAC在这个反应中对形貌起到决定性作用。海葵状结构平均粒径25 nm,金作为纳米粒子成核中心,铂和钯小纳米粒子在其表面成长。设计金纳米粒子作为金属载体有几个作用:1、金和Pt、Pd之间存在强电子作用,对Pt表面电子结构起到修饰作用,改善催化性能。2、金表面易吸附含氧基团物质,在电催化过程中对中间产物进一步氧化,从而改善催化剂的抗毒化能力和稳定性。
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