直接乙醇燃料电池阳极催化剂的制备及其性能研究

【摘要】直接乙醇燃料电池由于其燃料乙醇是可再生的生物燃料,无毒、生产和存储简单且来源广泛,理论能量密度高(8.1kWh/kg),渗透率低,符合绿色化学要求。直接乙醇燃料电池作为典型的可再生绿色环保型能源装置,近年来备受研究者的关注。但直接乙醇燃料电池能量转化效率的关键是催化剂,而目前用乙醇作为燃料最主要的问题是催化剂对乙醇的电催化氧化活性较低,且C-C键较难断裂,以至于乙醇经过12电子转移实现完全氧化生成二氧化碳的过程不易进行,使得乙醇氧化主要是经过4电子转移氧化生成乙酸,大大降低了燃料的利用效率。因此,实现直接乙醇燃料电池商业化必须开发高活性低成本的催化剂。本论文主要从提高贵金属铂的活性,充分发挥铂和其他金属间(如Sn、Rh)的协同作用,改善催化剂表面特性以及优化二元催化剂PtRh/C组成等几方面进行考虑,制备出有利于乙醇电氧化的高性能催化剂。主要研究内容和结论包括以下两个部分：(1)采用循环伏安电沉积方法制备了Sn修饰的铂纳米立方体,并用于乙醇的电催化氧化研究。结合传统的电化学方法和原位电化学红外光谱研究了Sn的作用机理。Sn修饰铂纳米立方体后可以显著降低乙醇氧化的起始电位,当Sn的覆盖度(θSn)约为0.9时,乙醇氧化的起始电位提前300mV。红外光谱结果表明随着θSn增加,CO2生成量先增大后减小,当覆盖度为0.38时,C02生成量最大。修饰Sn后,在很低电位下-0.05V就可以观察到乙酸的生成,乙酸生成量随着θSn增加而增加,Sn极大促进了乙酸的生成,有利于乙醇的直接氧化途径,但对C-C键断裂促进作用不大。(2)采用乙二醇还原法,以四甲基溴化铵为形貌控制剂直接在石墨烯载体上合成不同比例的PtRh纳米立方体(PtxRhy/GN)。合成过程中没有加入难以洗涤除去的PVP,后续无须复杂的清洗过程,可以直接用于电催化过程,并且可以避免洗涤过程中粒子的团聚。立方体纳米粒子直接负载分散在碳载体上,与先合成纳米粒子再与碳载体机械混合相比,过程简单同时可增强碳载体与纳米粒子之间的相互作用力,从而促进催化剂的活性和稳定性。除了Br-,石墨烯也是合成立方体形貌的关键因素,并且其维持了催化剂的高分散性。采用XRD、SEM和TEM表征了催化剂的结构和形貌,结果表明催化剂是由均匀的PtRh合金纳米立方体组成。随着Rh含量的增加,粒径逐渐减小。运用传统的电化学方法(循环伏安和电位阶跃法)研究了PtxRhy/GN对乙醇氧化的电催化性能,结果表明任意比例的PtxRhy/GN催化剂对乙醇都具有较好的催化活性,活性最好的比例是Pt:Rh=9:1。此外,我们采用电化学原位红外光谱研究了乙醇在PtxRhy/GN催化剂上的反应过程以及Rh的作用机理。结果表明与Pt相比,CO在Rh上的吸附能力更强,促进了乙醇中C-C的断裂从而提高了CO2的产率,当Pt：Rh=1：1时,对CO2的选择性最优。研究表明PtxRhy/GN较好的催化活性和选择性归因于合金立方体形貌、两种金属的相互作用以及石墨烯载体。传统的电化学法和原位红外光谱技术的结合是评估催化剂对有机小分子电催化氧化性能的有效手段。
【作者】饶路；
【导师】姜艳霞；孙世刚；
【作者基本信息】厦门大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】乙醇；电氧化；催化剂；循环伏安；insituFTIRS；

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