【摘 要】
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直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cells,DEFCs)是一种乙醇作为燃料把化学能直接转化为电能的发电装置。目前DEFCs中的阳极催化剂使用贵金属Pt或Pt合金。但Pt资源匮乏且
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直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cells,DEFCs)是一种乙醇作为燃料把化学能直接转化为电能的发电装置。目前DEFCs中的阳极催化剂使用贵金属Pt或Pt合金。但Pt资源匮乏且价格昂贵,直接制约了DEFCs的大规模商业化进程。另外,由于Pt受到CO等中间产物的中毒,影响了乙醇的电催化氧化(EOR)的动力学过程。因此,研究低Pt、高活性的阳极催化剂是DEFCs亟待解决的问题。Pd的价格是Pt的1/3,地壳中蕴藏量远高于Pt,更为重要的是,在碱性介质中其EOR活性高于Pt。研究人员发现,纯Pd作为阳极催化剂仍难以摆脱中间产物CO的中毒问题。而Pd的合金,如PdAu/C催化剂显示较高的EOR活性。催化剂的活性和稳定性与其结构、粒径尺寸、分散性等因素有关,而这些因素与其制备方法直接相关。以往PdAu/C催化剂的制备大多是在水相中进行,受水溶液强极性的影响容易团聚,而在单一有机溶剂中获得的金属纳米粒子分散性好,但是由于Pd盐前驱体在有机相中溶解度低,原料的选择受到限制。 本研究主要内容包括:⑴以四丁基氢氧化铵作为相转移剂和保护剂,硼氢化钠作为还原剂,在二氯甲烷中成功制备Pd/C-1和不同比例的PdmAu/C-1(m=1、2、3、4)纳米粒子。为了与之作对比,在水相中制备Pd/C-2和PdmAu/C-2(m=1、2、3、4);⑵XRD结果表明,PdmAu/C-1为合金,而Pd3Au/C-2是异质物理组合的双金属,并未形成合金。 Au的引入改变了PdmAu/C的晶格常数;TEM结果显示,Pd/C-1和PdmAu/C-1中金属颗粒大多均匀地分散在碳载体上,形状较统一,没有明显的大量团聚现象。Pd/C-2和PdmAu/C-2金属粒子分布在活性炭表面,出现明显团聚现象;⑶EOR活性结果表明,不同比例的催化剂中,Pd3Au/C-1和Pd3Au/C-2具有最佳活性。电化学活性结果表明,电催化氧化乙醇的CV图中Pd3Au/C-1的峰电流是Pd3Au/C-2的2.6倍,i-t图中Pd3Au/C-1的稳态电流是Pd3Au/C-2的3.0倍。Pd3Au/C-1和Pd3Au/C-2平均晶体粒径分别为3.67 nm和3.08nm相差不大,但是前者粒径分布均匀而且分散性优于后者;⑷XPS结果表明,在Pd/C的基础上添加Au,使Pd3Au/C-1的3d5/2负移0.77 eV,Pd3Au/C-2负移0.19 eV。Pd3Au/C-1中电子结合能发生较大化学位移,说明Pd表面与Au相互作用加强; O1s结果表明,Pd3Au/C-1表面吸附羟基量(8.10%)高于 Pd3Au/C-2(4.52%)。 Pd与Au之间的相互作用和吸附OH的增加将有利于促进吸附在催化剂表面的中间产物如CO的氧化,有利于提高EOR活性和稳定性。
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