PtCu基合金催化剂的制备及其甲醇氧化性能的研究

作     者：赵一灿 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：雷作涛

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：电催化 直接甲醇燃料电池 PtCu合金 PtCuPd三元合金 

摘      要：直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种将化学能直接转变成电能的装置,具有能效高、环境友好和可持续等优点,发展DMFC技术是对国家提出的“碳达峰和“碳中和计划的积极响应。目前商用DMFC催化剂为Pt基催化剂,但是其仍存在催化活性低、抗CO中毒性差、易烧结和成本高等问题。本文主要针对催化剂性能差、抗CO中毒能力差的问题,通过优化合成工艺调控催化剂的元素组成、尺寸形貌和电子特性等,制备高性价比PtCu基合金催化剂,为实现工业化生产提出新策略。本文采用湿化学法优化制备出形貌规整、粒径小于100 nm的PtCu纳米颗粒(PtCu NPs)催化剂。通过物理表征结合电化学表征手段,揭示表面活性剂、还原剂及投料比等对催化剂形貌、组成与结构的影响,进而测试对甲醇氧化反应(MOR)性能的影响。催化剂的电化学性能测试表明,PtCu NPs的质量活性为1010.41m A·mg ,抗CO中毒能力I/I值为1.18,1000圈循环伏安测试后性能下降63.27%,均优于商业Pt/C催化剂。X射线光电子能谱(XPS)表明Cu元素引入形成合金后,电子由Cu向Pt发生转移,削弱Pt-CO结合能,从而增强MOR活性和抗CO中毒能力。在二元PtCu催化剂基础上,引入Pd和Ru元素展开三元合金催化剂的研究。通过电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)表征发现Na BH还原制备的催化剂具有更低Pt负载量,X射线衍射(XRD)表征显示催化剂主要暴露的晶面为(111)面。XPS和电化学性能测试表明Pd元素的引入相比于Ru元素具有更强的电子效应,PtCu Pd NPs催化剂表现出更高的MOR活性和稳定性。通过引入Pd元素和Pt、Cu元素共同作用产生强电子调变和协同作用,Pt催化甲醇(CHOH)脱氢生成Pt-CO,Pd催化水脱氢产生Pd-OH,二者反应释放出Pt活性位点,提高MOR的催化性能。Ru元素的引入显著增强催化剂抗CO中毒能力,这是由于Ru作为亲氧元素,能够生成Ru(OH)在更低电位下氧化CO造成的。