金屬—石墨烯納米復(fù)合催化劑的制備及在燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、燃料電池是一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)化裝置，具有無污染、能量轉(zhuǎn)化率高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是未來人類社會(huì)重要的能源方式之一。目前，在燃料電池中，常見的陰陽極催化劑大都是Pt催化劑，但傳統(tǒng)的Pt催化劑存在很多不足，影響了其商品化進(jìn)程，因此，選擇和制備高性能的電催化劑是燃料電池中重要研究課題。通常會(huì)將Pt基催化劑負(fù)載到導(dǎo)電的高比表面積的碳載體上，碳載體的種類、表面性質(zhì)等在很大程度上影響著Pt基催化劑的分散程度、顆粒大小和尺寸等，從而影

2、響催化劑的催化性能。石墨烯(Graphene)是新近發(fā)現(xiàn)的一種具有二維平面結(jié)構(gòu)的碳納米材料，它的特殊單原子層結(jié)構(gòu)使其具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如較大的比表面積和優(yōu)良的電子傳導(dǎo)能力等，因此有望作為金屬催化劑載體應(yīng)用于生物電催化、燃料電池等領(lǐng)域。本文制備了一系列金屬-graphene納米復(fù)合催化劑，將其用于有機(jī)小分子(葡萄糖、甲醇)的氧化反應(yīng)和氧氣的還原反應(yīng)，研究了金屬-graphene納米復(fù)合催化劑的電催化性能，具體內(nèi)容如下：
　

3、　1.制備了Au-graphene納米復(fù)合催化劑，并將其用于催化氧氣的還原反應(yīng)和葡萄糖的氧化反應(yīng)。利用電化學(xué)沉積法制備了Au-graphene納米復(fù)合催化劑，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)，電子能譜(EDS)，X-射線粉末衍射(XRD)和電化學(xué)方法等對(duì)其進(jìn)行了表征。通過調(diào)節(jié)電沉積的時(shí)間和反應(yīng)溶液中前驅(qū)體AuCl4-的濃度可以得到形貌和尺寸可控的Au納米粒子。以氧氣還原反應(yīng)和葡萄糖氧化反應(yīng)為模型，利用循環(huán)伏安法對(duì)制備的納米復(fù)合催化劑的電催

4、化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與單獨(dú)的Au納米粒子和graphene相比，Au-graphene納米復(fù)合催化劑的電催化活性更高，表明在電催化過程中，Au納米粒子和graphene起到了協(xié)同催化作用。該研究為金屬-graphene納米復(fù)合催化劑的制備提供了簡單易行的方法，且該復(fù)合催化劑在燃料電池和生物電催化等相關(guān)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　2.制備了一種新型的雙金屬-graphene納米復(fù)合催化劑，并研究了其電催化特征。利用電沉積方

5、法把Pt-Au納米結(jié)構(gòu)沉積到了石墨烯的表面，制備了Pt-Au-graphene納米催化劑，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)和電化學(xué)方法等對(duì)其進(jìn)行了表征。通過調(diào)節(jié)Pt和Au前驅(qū)體的原子比可得到形貌和組分可控的Pt-Au-graphene納米催化劑。利用循環(huán)伏安法和線性掃描伏安法研究了Pt-Au-graphene納米催化劑對(duì)氧氣還原反應(yīng)(ORR)和甲醇氧化反應(yīng)(MOR)的電催化性能，結(jié)果表明，P

6、t-Au-graphene納米催化劑對(duì)ORR和MOR都顯示出比Au-graphene和Pt-graphene催化劑更高的催化性能，且當(dāng)Pt/Au原子比為2:1時(shí)，Pt-Au-graphene納米催化劑的催化活性最高。同時(shí)，在催化MOR過程中，graphene表面的含氧官能團(tuán)可以有效地移除MOR過程中的副產(chǎn)物(如CO等)，有效地提高了Pt-Au-graphene納米催化劑的穩(wěn)定性。因此，制備的Pt-Au-graphene納米催化劑對(duì)ORR

7、和MOR都顯示出很高的電催化活性，且可以大大提高n的利用率。本章為制備形貌和組分可控的雙金屬Pt-M催化劑提供了一個(gè)簡便易行的方法，有望應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域。
　　3.研究了Pt-Ni催化劑的結(jié)構(gòu)、組分以及催化劑載體對(duì)其催化性能的影響，特別研究了催化劑中Ni的協(xié)同催化作用。Pt基催化劑的結(jié)構(gòu)、組分以及催化劑載體的性質(zhì)對(duì)催化劑的催化性能有很大影響，因此通過控制催化劑的結(jié)構(gòu)和組分特征，從而制備新型高效的催化劑，為降低Pt的用量和提高催化

8、劑的催化性能提供了可能性。通過同時(shí)還原Ni2+、PtCl62-和氧化石墨烯(GO)，利用一步化學(xué)還原法制備了Pt-Ni-graphene納米催化劑，并利用透射電子顯微鏡(TEM)、紫外光譜(UV-vis)、X-塒線光電子能譜(XPS)、電子能譜(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)對(duì)其進(jìn)行了表征。以甲醇氧化反應(yīng)(MOR)為模型，對(duì)該催化劑的催化性能進(jìn)行了研究，系統(tǒng)研究了催化劑的結(jié)構(gòu)、組分以及催化劑載體對(duì)催化劑催化性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

9、，當(dāng)催化劑中Pt/Ni原子比為1:1時(shí)，Pt-Ni-graphene納米催化劑顯示出最高的電催化活性；XPS能譜表明，由于Ni的參與會(huì)改變Pt原子的電子結(jié)構(gòu)，同時(shí)催化劑中存在的Ni的氧化物會(huì)和Pt催化劑起到協(xié)同的催化作用，因此Pt-Ni催化劑比純Pt催化劑顯示出更高的催化活性；同時(shí)，不同的催化劑載體對(duì)其催化活性也有很大影響，利用拉曼光譜和XPS能譜對(duì)不同的催化劑載體(graphene、SWNTs、Vulcan XC-72)進(jìn)行了表征，并

10、比較了這三種物質(zhì)作為催化劑載體時(shí)，Pt/Ni原子比為1:1時(shí)Pt-Ni催化劑的催化性能，結(jié)果表明，Pt-Ni-graphene催化劑與其他兩種催化劑相比表現(xiàn)出更高的電催化活性，這是由于graphene表面豐富的含氧官能團(tuán)會(huì)移除催化過程中產(chǎn)生的一些副產(chǎn)物，從而有效地提高了Pt-Ni催化劑的催化性能。
　　4.制備了具有獨(dú)特空心結(jié)構(gòu)的Pt-Ni合金催化劑，并將其負(fù)載到graphene表面研究了該催化劑的催化性能。不同形貌的Pt基催化劑

11、會(huì)影響其比表面積、表面原子結(jié)構(gòu)，從而會(huì)影響催化劑的催化性能。利用連續(xù)還原法制備了空心結(jié)構(gòu)的Pt-Ni-graphene復(fù)合催化劑，并利用透射電子顯微鏡(TEM)、電子能譜(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)等表征手段對(duì)其進(jìn)行了表征。為了研究該空心結(jié)構(gòu)Pt-Ni合金的形成機(jī)理，同時(shí)利用TEM觀察了Pt-Ni合金的形成過程，并研究了不同Pt/Ni原子比及不同的表面活性劑對(duì)Pt-Ni合金形貌的影響。最后以甲醇氧化反應(yīng)(MOR)為模型，研究了