模板牺牲法合成钯基纳米复合材料及其在直接乙醇燃料电池中电催化性能的研究

作     者：舒亚兰 

作者单位：上海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨海峰

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：直接乙醇燃料电池 牺牲模板法 氧化亚铜 Pd基纳米复合材料 

摘      要：直接乙醇燃料电池(DEFC)因其环保、高效、低毒性、低排放以及丰富的燃料来源而被认为是新一代移动电源开发的理想选择。贵金属Pt被认为是氧气还原反应和乙醇氧化反应的最有效催化剂,但它面临成本过高、储量有限和电化学不稳定的问题,严重阻碍了DEFC的商业化推广。面对当前的形式,开发具有良好催化活性和耐久性的非贵金属催化剂是实现直接醇类燃料电池(DAFC)商业化的关键。本论文以降低催化剂中贵金属的用量、提高催化剂的活性以及稳定性为研究目标,从催化剂制备方法、载体材料、催化剂形貌和结构等方面着手合成三种不同的Pd基纳米复合材料催化剂,并研究了在碱性条件下对乙醇的电催化性能。本论文的研究进展如下:(1)在氮气的氛围的保护下,利用硼氢化钠还原硝酸钴,合成钴纳米球并作为牺牲模板,通过HPdCl、CuCl与钴纳米球之间的置换反应合成PdCuCo合金纳米催化剂。利用X-射线光电子能谱仪(XPS)、X-射线衍射光谱(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等物理方法对催化剂的组成、结构和形貌等进行了详细的表征。分析结果表明,所合成的纳米材料呈中空海胆状,尺寸大小约为90nm,分散性很好,且过渡金属元素铜和钴的引入将大大提高钯利用率,同时修饰了金属钯表面电子结构。通过循环伏安考察,该催化剂对乙醇有着较好的电催化活性,是商用20%Pd/C催化剂的10倍左右。(2)采用聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)作为形貌导向剂,合成多孔状的CuO纳米球作为牺牲模板,通过NaPdCl与CuO之间的置换反应合成中空荔枝状的CuO/Pd纳米催化剂。利用XRD、XPS、SEM和TEM等仪器对所合成的纳米催化剂进行了表征。表征的结果表明,所合成的纳米材料呈中空结构,这将为乙醇的催化提供更多催化活性位点。经过在碱性条件下对乙醇电催化性能的考察,该催化剂表现出较好的电催化活性和稳定性。(3)利用水热法在无任何表面活性剂的情况下,预先合成立方状的CuO纳米粒子,然后通过NaPdCl与立方状CuO纳米粒子的置换反应合成方糖状的CuO-CuO@Pd纳米复合材料。XRD、XPS、EDS和TEM的表征结果表明,所合成材料中的CuO作为一种富有电子的氧化物与Pd之间存在着电子转移,使Pd的d轨道中心发生正移,因此减弱了Pd与乙醇氧化过程中产生一些中间产物的耦合作用,使得该催化剂对乙醇的电催化能力和的抗毒化能力都得到了改善。