钯钼等多元催化剂制备及其甲醇阳极氧化性能研究

作     者：石井玲 

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：2022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：直接甲醇燃料电池 甲醇氧化反应 合金 离子缔合物 核壳结构 电催化性能 

摘      要：能源是人类发展的基础,是社会进步的动力。随着经济社会的不断发展,化石燃料日渐枯竭,环境污染问题日益严峻,开发和利用新型清洁能源刻不容缓、势在必行。甲醇被认为是“液态阳光,天然的太阳能运输者。直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种结构简单、易于操作、可即时加注的能源转换装置,原理非常简单,即通过催化反应将甲醇氧化分解为水和二氧化碳,化学能转化为电能。并且,甲醇燃料能量密度高、来源广泛、储存安全、转运方便,即使在没有电网的孤立环境或偏远地区也能使用,被认为是便携式设备、军事应用和小功率范围汽车的最有希望的动力替代品之一。DMFC阳极甲醇氧化反应(MOR)动力学缓慢,需要使用性能优异的阳极催化剂。Pt对甲醇氧化具有最高的催化活性,但Pt价格昂贵,且抗毒化性能还有待改善。基于此,本论文从两个方面着手,一方面侧重于开发能够替代Pt的Pd基催化剂,另一方面侧重于Pt基催化剂核壳结构的构造,减少Pt使用量的同时提高其抗毒化性能。以下是具体研究内容:(1)工作一以氧化石墨烯(GO)作为载体材料,成功制备PdMo/GO催化剂,其对甲醇催化氧化的质量活性分别是PdMo/GO、PdMo/GO和商业Pd/C的2倍、1.7倍和3.2倍,且稳定性和抗毒化能力均有所提高。因此,载体GO和亲氧性元素Mo的引入,的确能提高Pd对MOR的电催化性能。(2)工作二成功制备了一种PdCTABMo离子缔合物负载Pd的复合催化剂Pd/PdCTABMo。该离子缔合物是层状结构,兼具良好导电性,扭结、台阶、应变压力等缺陷,有助于提高催化性能。此外,用该离子缔合物负载的金属Pd镶嵌于层状材料的孔隙中,不仅能避免Pd纳米颗粒的聚集和电化学溶解,还能提高Pd的原子利用率,增加催化活性位点,从而提高催化活性和稳定性。电化学测试表明,在三种Pd/PdCTABMo催化剂中,PdMo表现出优异的电催化性能。(3)工作三利用氧化还原电位差异,通过金属间置换反应自模板法成功制备三种核与壳均由合金组成的中空核壳复合材料(内核为Pd Ag合金、外壳为Ag Pt合金),该中空核壳结构具有核内、壳外和核壳间接触的多层电化学活性表面积,能充分利用金属间协同作用和结构效应以增强电催化活性、稳定性和抗毒化能力。