不同溶剂中热解合成多壁碳纳米管负载Pd基及Pt基二元金属催化剂及其对甲酸、乙醇的催化氧化研究

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能源资源是能源发展的基础。近些年来随着社会的进步和科学技术突飞猛进的发展,人类对于能源的需求量日渐提高,且环境污染问题日益增多,能源再生和环境保护问题已经成为全世界的热点话题。对于中国而言,虽然我们拥有较为丰富的化石能源资源,但是人均拥有量少,开发难度大,所以开发新型的可再生绿色能源显得日益重要。燃料电池是一种等温的将化学能转化为高效的、对环境友好的能源的装置,是一种新型的绿色发电装置,而研究更高效的燃料电池催化剂也显的尤为重要。研究发现贵金属Pd、Pt对甲酸、乙醇等燃料具有很好的催化性能,但其成本高,不适用于工业生产。本论文研究了以离子液体和水为溶剂热解合成多壁碳纳米管负载Pd基及Pt基金属颗粒催化剂的方法以及研究了其作为催化剂催化甲酸、乙醇氧化的催化性能。使用了SEM、TEM、EDS、XRD对催化剂进行了表征,并使用循环伏安、交流阻抗、计时电流的电化学方法对其进行了电化学性能的测试。主要实验内容如下:1、以离子液体(N-丁基吡啶四氟硼酸盐,BPyBF4)为溶剂,采用热解的方法合成了多壁碳纳米管(MWCNTs)负载Pd-Ni二元金属催化剂,并研究了不同比例Pd、Ni的原子投料比(1:0、1:1、1.5:1、2:1)对甲酸氧化的催化效果。通过XRD表征证明了二元金属颗粒在MWCNTs表面的生成,并计算出了平均粒径,其中以Pd:Ni原子投料比为1.5:1的样品具有最小的粒径,为7.6nm。EDS结果表明,金属Ni掺入到了金属Pd中。SEM、TEM照片进一步证明了Pd、Ni金属颗粒均匀的分布到了碳纳米管表面。通过循环伏安等电化学方法测试,证明了在酸性条件下,碳载Pd及Pd-Ni二元金属催化剂对甲酸均有催化活性,Pd-Ni二元金属的催化性能要明显优于纯金属Pd,并且研究发现不同Pd、Ni比例的催化剂对甲酸的催化活性是不同的,其中以Pd:Ni=1.5:1投料制得的样品具有最好的催化活性,这与XRD等其他表征结果是吻合的。2、以离子液体(溴化1-辛基-3-甲基咪唑,[OMIM]Br)和去离子水以3:1体积比的混合溶液为溶剂,继续采用直接热解的方法合成了Pd/MWCNTs催化剂,并研究了不同热解时间对催化剂催化乙醇氧化的性能影响。通过XRD、TEM表征了形貌,证明了通过该方法金属Pd纳米颗粒成功生长在了多壁碳纳米管表面,并且发现3h下合成的Pd颗粒最小,约为16nm,单位面积碳纳米管上分布较多,较均匀。通过电化学方法表征同样发现3h下合成的样品在碱性条件下对乙醇氧化的催化性能最好,催化乙醇氧化的峰电流约为最小电流的17倍,说明热解3h是最佳的时间。3、以水为溶剂,采用直接水热法合成了多壁碳纳米管(MWCNTs)负载Pt-Ni二元金属催化剂,并研究了不同Ni掺入量(Pt:Ni分别为1:0、1:1、1:2、1:3、1:4)对催化剂催化性能的影响。采用XRD、TEM、SEM表征手段对催化剂的组成、形貌等进行了表征。并在碱性条件下对催化剂催化乙醇的活性进行了循环伏安、计时电流、交流阻抗的电化学性能测试。结果表明,通过水热法成功的将金属Pt-Ni颗粒修饰到了MWCNTs表面,并发现碱性条件下Pt:Ni=1:3的样品对乙醇的催化氧化性能最好,且观察SEM、TEM照片也可以看到该样品粒径最小、在MWCNTs表面分散量大且均匀。4、继续以离子液体(N-丁基吡啶四氟硼酸盐,BPyBF4)为溶剂,在不同温度100oC,200oC,300oC下热解合成了多壁碳纳米管(MWCNTs)负载Pd金属颗粒催化剂,通过XRD表征确定生成了金属Pd颗粒,并测其平均粒径,发现200oC下生成的粒径最小为17.0nm,进一步通过EDS测试确定了XRD测试的结论。通过SEM、TEM照片可以肯定热解后金属颗粒在MWCNTs表面生成,且可观察到200oC下MWCNTs表面生成的颗粒最小。在酸性条件下,对不同温度合成的催化剂对甲酸催化氧化的活性进行了循环伏安、计时电流、交流阻抗的电化学测试。结果显示,200oC下合成的样品催化活性最好,这与XRD、SEM等表征手段得到的结论是一致的。
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