交替微波快速催化合成碳化钨及碳化钨基燃料电池催化剂的研究

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催化剂是质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的关键材料。目前,燃料电池中最常用的阳极和阴极催化剂依然是铂。然而铂的价格太高且储量少,这些不利因素都阻碍了燃料电池实现商业化。因此,开发新的催化剂来降低铂的用量甚至取代铂成为非常迫切的任务。为了降低铂的用量,其中一个急需解决的问题就是甲醇氧化过程中生成的类CO中间物对铂产生毒化。为了解决一氧化碳毒化的问题,许多研究者对此进行了详细的研究,这些研究发现PtRu/C催化剂表现出最优越的一氧化碳抗毒化能力,而这种特性基于双功能机理。铂与oxophilic元素互相结合能够提高水在低电位的活性,这一过程会生成一系列氧化物,这些氧化物会对反应过程中的某些中间态物质进行氧化同时能够有效地阻止一氧化碳对催化剂表面的毒化。 碳化钨作为电催化剂的载体已被广泛地运用于醇氧化、氧还原的研究中。碳化钨不仅在酸性溶液中稳定,而且对一氧化碳和二硫化物具有很高的抗毒化能力。这种特性使碳化钨负载的催化剂在醇氧化中表现出优异的性能,但这种性能的相关机理的研究还不够深入。本工作主要采用交替微波法结合有机溶剂法合成以碳化钨修饰的多壁碳钠米管载铂(PtWC/MWCNT)催化剂,并对其进行甲醇氧化的电化学性能表征。与此同时,研究PtWC/MWCNT、PtRu/C和Pt/C催化剂一氧化碳吸脱附的性能。通过对实验结果的分析和比较,对碳化钨抗毒化性能的相关机理进行深入的探讨。 论文共分为五章。第一章综述了燃料电池和碳化钨基催化剂的研究进展和现状。第二章叙述了本工作涉及到的方法和技术以及所用的试剂。第三章主要叙述有机胶体和交替微波法相结合制备碳化钨基催化剂的方法学,研究催化剂的物理化学性能及各种影响产物性能的因素,摸索了可控制备碳化钨及碳化钨基催化剂的条件。第四章是以碳化钨为载体的催化剂的醇氧化研究。以WC/MWCNT为载体,采用微波诱导催化加热法制备了PtWC/MWCNT催化剂,得到的样品中Pt颗粒高度分散在WC/MWCNT表面,且平均粒径为2.1nm,提高了电化学活性面积。电化学CO抗毒化测试发现PtWC/MWCNT催化剂的CO氧化电位比Pt/C催化剂负移0.1V。稳定性测试发现PtWC/MWCNT催化剂的稳定性与PtRu/C催化剂相比大大提高。催化甲醇氧化的活性的提高被认为是铂与碳化钨的协同效应和碳纳米管的结构效应的共同结果。第五章总结了本学位工作的结果,并对进一步开展工作提出了建议。
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