新型碳復(fù)合材料負(fù)載貴金屬納米粒子催化劑的制備及其電催化性能研究.pdf

1、低溫燃料電池已經(jīng)在各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，電極催化劑材料(包括金屬納米粒子催化劑和支撐材料)的優(yōu)劣是影響燃料電池系統(tǒng)性能和效率的關(guān)鍵因素之一。其中，支撐材料直接影響著金屬納米粒子催化劑的大小、分散性、催化效率及穩(wěn)定性。炭黑是一種傳統(tǒng)的支撐材料，盡管炭黑有較大的比表面積，然而其孔徑太小，不利于與反應(yīng)溶液的充分接觸，從而降低了催化劑的利用效率。因此，研究和探索具有低成本、大表面積、多孔結(jié)構(gòu)、高穩(wěn)定性的新型催化劑支撐材料十分必要。本論文秉著提

2、高貴金屬納米粒子的分散性、穩(wěn)定性及其電催化活性，采用不同方法制備了一系列新型碳支撐材料(導(dǎo)電高分子、導(dǎo)電高分子/石墨烯復(fù)合材料、炭黑/石墨烯復(fù)合材料)，系統(tǒng)研究了其負(fù)載不同金屬納米粒子催化劑和在不同測試條件下，復(fù)合催化劑對甲醇和乙醇電催化氧化性能的影響，并與商用催化劑進(jìn)行對比，評估了新型碳復(fù)合支撐材料負(fù)載的金屬納米粒子催化劑的電催化性能及其潛在的應(yīng)用價值，為探索新型高性能催化劑支撐材料提供新思路和基礎(chǔ)理論參考。本論文主要內(nèi)容概括如下：<

3、br>　　(1)首先采用恒電位法制備了自支撐導(dǎo)電高分子聚(聚N-乙烯咔唑)(PPVK)薄膜，以其作為載體，共沉積了Pt-M(M=Pd、Au、Ru)合金催化劑(Pt/PPVK、Pt-Pd/PPVK、Pt-Au/PPVK、Pt-Ru/PPVK)。在堿性溶液中對甲醇的電催化性能測試表明，PPVK作為支撐材料，其多孔結(jié)構(gòu)和較好的穩(wěn)定性有助于提高Pt和Pt-M的電催化性能。其次，利用循環(huán)伏安方法制備了聚5-氰基吲哚(P5CN)負(fù)載的 Pt-Cu雙

4、金屬催化劑(Pt-Cu/P5CN)，在酸性溶液中對甲醇的電催化氧化測試表明，P5CN提高了Pt和Pt-Cu的電催化性能，主要?dú)w因于P5CN的多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了金屬納米粒子的分散以及它們之間的協(xié)同效應(yīng)。此外，Cu作為一種中間過渡反應(yīng)物質(zhì)，促進(jìn)了Pt納米粒子在P5CN表面的分散，同時催化劑中少量存在的Cu也對甲醇的電催化氧化性能有影響。
　　(2)不同材料的復(fù)合是提高納米粒子催化劑支撐材料性能的有效路徑之一。為了改善和提高導(dǎo)電高分子聚3,

5、4-二氧乙撐噻吩(PEDOT)和石墨烯支撐材料的性能，實(shí)驗(yàn)通過電化學(xué)方法制備了PEDOT修飾的還原氧化石墨烯復(fù)合材料(PEDOT/ER-GO)，并利用循環(huán)伏安方法以其作為載體沉積了Pt納米粒子。ER-GO提高了PEDOT在酸性溶液中的電化學(xué)活性，而PEDOT則有效促進(jìn)了Pt納米粒子的分散以及提高了其電化學(xué)活性面積(47.1 m2 g-1)，對乙醇的電催化氧化測試表明，Pt/PEDOT/ER-GO催化劑展示了最大的質(zhì)量氧化峰電流密度(39

6、0 A g-1)，其催化活性和長期穩(wěn)定性也高于商用JM Pt/C催化劑，證明PEDOT/ER-GO可作為潛在的催化劑支撐材料。
　　(3)以化學(xué)方法制備的PEDOT和還原氧化石墨烯(RGO)混合物為載體，負(fù)載Pd納米粒子(Pd/PEDOT-RGO)后對乙醇在堿性溶液中的電催化氧化性能進(jìn)行測試和評估。PEDOT-RGO作為載體有效的提高了Pd納米粒子的電催化性能，Pd/PEDOT-RGO2(30 wt.% RGO)展示了最大的電化學(xué)

7、活性面積(39.2 m2 g-1)和最高的乙醇氧化峰電流密度(197.2 mA cm-2)。PEDOT阻止了RGO的重新堆積，保持了PEDOT-RGO復(fù)合材料的多孔結(jié)構(gòu)和較大的接觸面積，RGO則通過類雙功能效應(yīng)促進(jìn)了CO的氧化，從而提高了Pd/PEDOT-RGO催化劑的抗毒化性能。電化學(xué)交流阻抗(EIS)和Tafel分析被用于研究催化劑電催化氧化乙醇的反應(yīng)動力學(xué)。
　　(4)采用化學(xué)還原的方法以硼氫化鈉為還原劑制備了PtRu/C-

8、RGO復(fù)合催化劑，通過電化學(xué)循環(huán)伏安法、恒電位法和CO溶出伏安法，測試分析了一系列不同Pt/Ru和C/RGO成分比例催化劑對乙醇電催化氧化性能的影響。當(dāng)Pt/Ru原子比例為59:41時，炭黑負(fù)載的PtRu合金催化劑展示了最高的乙醇電氧化質(zhì)量峰電流密度。摻雜石墨烯后，RGO含量為50 wt.%時，PtRu/C-RGO3展示了最好的電催化活性、穩(wěn)定性及毒性容忍性。炭黑有效阻止了石墨烯的重新堆積，RGO則不僅提高了PtRu合金納米粒子的穩(wěn)定性

9、和分散性，由于其相應(yīng)的雙功能效應(yīng)進(jìn)一步提高了催化劑的抗毒化性。
　　(5)以甲酸作為還原劑，制備了不同Pt/Pd成分比例的Pt1-xPdx/C(x=0,0.27,0.53,0.77,1)合金催化劑。通過一系列的電化學(xué)測試和分析，系統(tǒng)的研究和對比了Pt1-xPdx/C在酸性和堿性溶液中對乙醇的電催化氧化性能。Pt1-xPdx/C催化劑在酸性溶液中展示了提高的電催化氧化乙醇的活性和穩(wěn)定性(x<0.77)，而這種提高的電催化活性在堿性溶