碳化钛载Pd基纳米催化剂的制备及其对甲酸催化性能的研究

作     者：黄梅灵 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董奇志

授予年度：2017年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：燃料电池 甲酸氧化 碳化钛 表面改性 Pd基催化剂 

摘      要：甲酸具有较高的功率密度,储存安全,无毒不易燃等特点。因此,直接甲酸燃料电池在混合动力汽车以及便携式电源领域受到越来越多的关注。阳极催化剂是甲酸燃料电池的核心,由于Pd基催化剂相对便宜,且有很强的抗CO中毒能力,是甲酸燃料电池理想的阳极催化剂。然而,Pd基催化剂的稳定性仍需进一步提高。载体材料对于改善催化剂的活性和稳定性至关重要。载体材料的研究重点是研究新型非碳材料,以克服传统的碳材料的电化学腐蚀问题。碳化钛具有较好的导电性以及较大的比表面积,高的抗氧化和抗腐蚀能力,是非常有应用前景的催化剂载体。催化剂在非碳基材料上的分散性和稳定性是一个重要的问题,本论文对碳化钛进行表面改性处理,作为Pd催化甲酸反应的新型催化剂载体,研究了所得催化剂对甲酸的催化性能。主要研究工作如下:(1)以TiC作为催化剂载体,通过液相还原法制备了 Pd/TiC催化剂。对催化剂的结构、组成和微观形貌进行了表征。同时用电化学方法探究了催化剂对甲酸的电催化氧化性能。结果表明,Pd纳米粒子在碳化钛表面比在炭黑表面具有更小的平均粒径和更好的分散性,Pd/TiC催化剂对甲酸氧化具有较好的催化活性、稳定性和抗CO中毒能力。这主要归因于Pd(?)TiC相互作用以及在TiC表面上形成的含氧物质。(2)分别通过酸化和阳离子聚合物(PDDA)对TiC进行改性处理,并以其为载体,制备了 Pd/AO-TiC和Pd/TiC(P)催化剂。通过TEM和XRD对合成的催化剂微观形貌和结构进行了表征。采用一系列电化学测试,考察了两种催化剂对甲酸电催化氧化的性能。TEM结果表明,酸化和阳离子聚合物对TiC进行改性处理均增加了 TiC表面的活性位点,经处理之后的载体表面能很好的沉积Pd。与Pd/TiC催化剂相比,Pd/AO-TiC和Pd/TiC(P)催化剂对甲酸氧化具有较好的催化活性,其中Pd/TiC(P)催化剂的抗CO中毒能力和稳定性最好。(3)进一步以阳离子聚合物修饰的TiC(P)为催化剂载体,通过静电自组装和原位还原合成不同原子比的Pd-Ru/TiC(P)催化剂。通过TEM、XRD、EDS对催化剂的形貌、结构组成进行表征。并通过一系列电化学手段对不同催化剂对甲酸电催化氧化性能进行测试。结果表明,Ru的加入可以降低催化剂的颗粒尺寸,Ru与Pd形成很好的合金结构。Pd-Ru/TiC(P)比Pd/TiC(P)催化剂具有较好的催化活性和稳定性。其中Pd3Ru1/TiC(P)展现最高的催化活性和稳定性。这可归因于双功能机理效应,Ru很容易在低电位下活化水形成Ru-OHad,这将有利于中间产物CO的氧化,从而释放出Pd的活性位点,维持了催化剂的催化性能。