论文部分内容阅读
直接甲酸燃料电池（DFAFC）是一种能源转换装置可直接将液体燃料甲酸的化学能转化为电能,因此受到了广泛的关注。甲酸可作为食品和医药添加剂,是一种无污染的环境友好物质,并且具有渗透率低、不易燃、运输安全、存储方便等优点。近年来,人们对直接甲酸燃料电池的研究工作给予了高度重视。具有高性能、低成本的DFAFC阳极催化剂的研究与制备对促进燃料电池的发展具有深远的意义,但目前仍存在着较大的挑战。目前普遍应用于DFAFC阳极的催化剂是钯（Pd）基催化剂。研究发现金属Pd和铂（Pt）具有相似的晶体结构和电子特性,Pd的成本较低且具有比Pt催化剂更好的催化活性和抗毒化能力,因此Pd基催化剂成为DFAFC首选的阳极催化剂。近年来,在提高DFAFC钯基催化剂的电催化性能方面做了许多努力。金属催化剂的催化性能主要和催化剂的结构特征、合金组成和载体结构等因素有关。将金属纳米粒子催化剂负载到催化剂载体上,不仅能提高催化剂的催化效率,而且载体的高比表面积和多孔结构还能增大金属纳米粒子的分散度,从而抑制纳米粒子的团聚。所以我们的工作主要包括改进催化剂载体和制备含氧化物的二元钯基合金催化剂。本论文采用了透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射光谱（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱、电感耦合等离子发射光谱（ICP-AES）等研究手段对催化剂的结构和组成进行了表征。并采用电化学研究技术如循环伏安技术（CV）,线性扫描技术（LSV）,计时电流技术（CA）,交流阻抗技术（EIS）等对各催化剂的电化学性能进行了研究。本论文的主要研究内容有如下几个方面:1.制备了不同质量比的石墨烯-Vulcan XC-72R炭黑（Gr-C）二元载体负载Pd（Pd/Gr-C）纳米复合催化剂。比较了不同质量比Gr-C二元载体对甲酸电催化性能的影响。电化学测试表明,质量比为3:7的Pd/Gr0.3C0.7催化剂催化活性最好。甲酸在Pd/Gr0.3C0.7催化剂电极直接氧化时的峰电位比Pd/C催化剂的峰电位负移大约120 mV。Pd/Gr0.3C0.7催化剂(102.14 mA.mgPd-1)的峰电流密度大约是Pd/C催化剂(34.40 mA.mgPd-1)的3倍。2.以葡萄糖为原料采用水热法制备了粒径较为均一的碳纳米球,通过硼氢化钠共还原法合成了钯/碳纳米球(Pd/C-NS)复合材料,并通过X射线衍射、透射电镜及循环伏安等技术对Pd/C-NS催化剂的粒径、形貌和电化学性质进行了表征。我们所制备的Pd/C-NS催化剂对甲酸电氧化具有较好的催化活性,其活性接近于传统的Pd/C催化剂,表明Pd/C-NS复合材料有望作为甲酸燃料电池阳极材料。3.我们通过硼氢化钠还原法制备了含氧化物的具有不同原子比的炭载Pd-Pb合金(PdxPb1-x/C)纳米粒子催化剂。采用X射线衍射光谱法（XRD）和透射电子显微镜技术（TEM）对样品晶体的结构以及颗粒的形貌进行了表征。XRD和TEM测试结果表明这些样品均为Pd的面心立方结构,且颗粒大小均一、分散均匀,其平均粒径为4 nm左右。电化学测试结果表明,钯铅原子比为9:1的Pd0.9Pb0.1/C催化剂对甲酸氧化的催化性能较好,优于传统的Pd/C催化剂。但是随着Pb含量的增加,炭载Pd-Pb合金催化剂会促进甲酸在Pd催化剂上的间接氧化,从而降低Pd的催化活性。