直接乙醇燃料电池阳极PtSn催化剂的研究

作     者：孙悦 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余刚;刘松

授予年度：2020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：PtSn催化剂 多孔结构 乙醇电催化氧化 直接乙醇燃料电池 稳定性 

摘      要：广泛使用化石燃料不仅使得能源危机变得更加紧迫,还导致了环境污染和全球变暖等一系列问题,因此急需对清洁、稳定的能源进行有效地开发和利用。乙醇是一种具有高能量密度的可再生绿色能源,可以由生物质大规模生产。直接乙醇燃料电池(DEFC)在催化剂的存在下通过乙醇的氧化反应进行发电,在电化学能量转换中起着重要的作用。但是,DEFC的性能在很大程度上取决于电催化剂。因此,开发具有优异催化活性和稳定性且成本低廉的电催化剂对于促进DEFC的商业化具有重要意义。铂(Pt)由于具有高催化活性而被广泛用作DEFC中的阳极催化剂。由于Pt具有空的d轨道和不成对的d电子,它可以与乙醇分子以适当强度进行结合(电子效应)。然而,由于某些表面吸附的中间体,尤其是CO会使Pt因毒化而失活,因此,在低温的环境下,纯Pt并不是用于乙醇电氧化最为理想的阳极催化剂。可以通过引入第二种金属,例如Ru、Sn、Rh和Au在较低的电位下吸附毒化中间体来去除毒化物种,从而最大程度地减少对Pt表面的毒化作用并改善其作为阳极催化剂的氧化性能。在合金催化剂中,Pt Ru和PtSn合金目前已被认为是乙醇氧化的最有效催化剂。与Ru相比,地球上Sn的含量更为丰富,并且PtSn合金的形成有益于断裂乙醇分子的C-C键,这使Sn成为与Pt形成合金的有利金属。结构是影响电催化剂性能的一个关键因素。许多研究报道了具有不同形态的PtSn纳米晶体用于乙醇氧化反应(EOR)。为降低EOR催化剂的成本,提高贵金属Pt的利用率与稳定性,本文使用不同的合成方法合成了具有不同结构的PtSn催化剂,并对其催化性能进行研究,得出以下结论:(1)通过简便的化学还原法制备了组分可调的,具有独特三维多孔结构的PtSn催化剂,先加入Sn的前驱体进行部分还原得到Sn骨架,再加入Pt的前驱体进行共还原得到PtSn合金纳米粒子,PtSn合金纳米粒子被锚定在Sn骨架上形成三维多孔结构,Sn骨架起到了自支撑的作用,在决定催化剂最终形貌的同时增强了结构稳定性。(2)价格低廉的非贵金属Sn的引入可以降低Pt基催化成本的同时与可以Pt形成合金,对EOR活性有很好地促进作用。三维多孔PtSn催化剂是由PtSn合金与Sn O构成,双功能作用很好地提高了PtSn催化剂的抗CO中毒的性能。由于具有优异的结构稳定性,三维多孔PtSn催化剂的催化稳定性也得到了大幅提升,其中PtSn和PtSn催化剂的循环寿命分别高达商业Pt/C的5倍和3倍。(3)通过简便的溶剂热法合成了尺寸均一的PtSn纳米粒子,温度和KOH的用量对纳米粒子的形成有很大的影响。合成的PtSn纳米粒子尺寸均一,其组成与理论值相符合。通过XRD表征可知PtSn纳米粒子是由PtSn合金与SnO共同组成。PtSn纳米粒子对乙醇氧化具有一定的催化作用,但因其结构的不稳定性,催化活性衰减较快。选用炭黑(CB)、氧化石墨烯(GO)和碳纳米管(CNT)三种碳材料作为载体负载PtSn纳米粒子时,可以有效增强其催化活性,并提高乙醇转化为CO的转化率。