【摘 要】
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开发与利用清洁新能源是人类社会根本性解决能源短缺、环境污染与破坏等全球性问题的必由之路。燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的新型能源技术,它具有能量转换效率高
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开发与利用清洁新能源是人类社会根本性解决能源短缺、环境污染与破坏等全球性问题的必由之路。燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的新型能源技术,它具有能量转换效率高、环境友好、可靠性高、适用范围广等技术优势,预期将在未来能源经济架构中扮演不可或缺的重要角色。在诸多可供选择的电池燃料中,乙醇因无毒、便于储运、规模化生产工艺成熟等优点而备受关注;加之直接乙醇燃料电池(DEFC)具有较高理论工作电压(1.15 V)和高理论能量密度(8.01 Wh?g-1),DEFC一直是能源技术领域的研究热点。研究表明,贵金属Pd、Pt对于乙醇电化学氧化反应(EOR)具有高催化活性,但存在极易失活的严重问题,致使DEFC的商业化应用受到严重制约。目前,因缺乏对于EOR复杂反应机理的深入认识,通过引入协同改性相来改善贵金属催化剂的稳定性仍是主导型研究思路。本文从探索新型协同改性相角度出发,重点围绕低载量、高分散纳米Pd复合催化剂合成、碱式碳酸盐的改性效果与机理开展研究,取得主要进展如下:(1)采用水热法合成碳布(CFC)负载的碱式碳酸钴(CCH)纳米线,后通过Pd前驱体与CCH的界面反应在CCH表面引入Pd O,后经低温氢气还原制得Pd/CCH/CFC目标催化剂。采用此简便方法可确保金属Pd以细小纳米颗粒形式弥散分布于载体表面,同时有助于建立Pd与CCH载体间的强交互作用,如此可在创造丰富活性位点的同时降低贵金属用量。性能测试结果表明,Pd/CCH/CFC催化剂对于碱性EOR的质量比活性和耐久性均显著优于商业Pd/C催化剂,提高幅度达1倍以上。基于系统的物相、结构表征以及设计实验结果,推断CCH复合相的改性效果可能源于其提供的表面吸附OH,后者可促进临近Pd活性位吸附CO的氧化脱除。(2)结合运用协同催化、结构纳米化等改性策略,设计、合成了可在碱性条件下高效催化乙醇氧化反应的钯/碱式碳酸镍钴纳米复合催化剂。首先采用水热法在碳布上生长出具有大量碱式碳酸镍钴(Ni Co-CH)纳米线的水热态样品。其次,通过水解及热处理还原法引入金属Pd,制得目标催化剂Pd/Ni Co-CH/CFC。该催化剂的质量比活性与稳定性优于商业Pd/C催化剂,其主要改性机理在于Ni Co-CH复合相可提供表面吸附OH,有利于氧化去除吸附在Pd活性位表面的含碳中间体。上述工作采用简单的制备方法与改性策略,设计、合成了两种适用于乙醇氧化反应的钯基纳米复合电催化剂,实验证明了过渡金属碱式碳酸盐用作协同改性相改善贵金属催化剂EOR催化性能的应用潜力,为发展高效、低成本的直接乙醇燃料电池阳极催化剂提供了实验基础。
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