论文部分内容阅读
燃料电池是最受关注、推崇的新型绿色清洁能源之一。燃料电池由于工作运行温度低、启动速度快、功率密度高和环境污染低,被看做新一代最环保的绿色动力能源转换装置。但由于Pt资源的稀缺,使得Pt基催化剂的成本居高不下,制约了质子交换膜燃料的发展和推广,进而使燃料电池不能进行大规模商业化应用。在燃料电池商业化过程中,提高催化剂的催化性能和降低Pt的用量是最为关键的问题。质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极氧还原反应(ORR)的反应速率缓慢,而直接甲醇燃料电池阳极Pt催化剂甲醇氧化(MOR)活性低且易CO中毒。因此,提高Pt的利用率、降低Pt的使用量,研制新型高性能、低成本的Pt催化剂对推动低温燃料电池的发展具有重要意义。为降低Pt的用量,人们主要通过Pt与过渡金属M(M=Fe、Co、Cu、Ni等)合金化来制备尺寸小、分布均匀的Pt基合金纳米催化剂来降低成本及提高催化性能。此外,可利用Pt基合金在还原气氛中热处理会发生吸附诱导Pt表面偏析来调控Pt基合金纳米催化剂的表面成分。本文采用乙酰丙酮铂和乙酸钴为前驱体,通过化学热还原的方法,合成出Pt、Co 原子比分别为 3:1、1:1、1:3 的 Pt3Co/C、PtCo/C、PtCo3/C 催化剂,然后将碳载Pt3Co/C、PtCo/C、PtCo3/C催化剂在还原气氛中400℃分别保温2h、4h、6h来调控Pt-Co合金纳米催化剂的表面成分。运用TEM、XRD、XPS等分析手段研究Pt-Co合金纳米粒子的尺寸、形貌、化学组成及化学价态,并用电化学方法测试Pt-Co合金纳米催化剂的催化性能(ORR、MOR活性)。研究结果如下:(1)利用化学热还原法合成出的不同Pt、Co原子比例(3:1、1:1、1:3)的Pt-Co纳米合金催化剂,分散均匀、平均尺寸小于3nm;(2)通过XRD分析碳载Pt-Co合金纳米催化剂,证实Co已溶入Pt的晶格形成Pt-Co合金,表明我们利用化学热还原法,合成出碳载Pt-Co合金纳米催化剂。电化学测试表明,合成出的碳载Pt-Co合金纳米催化剂对ORR和MOR都有较高活性。其中,PtCo3/C的ORR活性最好,而Pt3Co/C的MOR活性最好;(3)在还原气氛中400℃热处理获得的碳载PtCo纳米合金催化剂,经TEM分析表明Pt-Co合金纳米粒子的尺寸基本没有明显长大。ORR活性测试表明,随着保温时间增加,ORR活性明显提高,但保温时间过长会导致ORR活性下降;MOR活性测试表明,随着保温时间增加,MOR活性明显提高,但保温时间过长会导致MOR活性下降,其中保温2h的MOR活性最好,而PtCo3/C是MOR性能最好的催化剂。