三元鉑基納米催化劑的制備及其對(duì)乙醇氧化催化行為的研究.pdf

1、直接乙醇燃料電池（Direct ethanol fuel cell，DEFC）利用液體乙醇為燃料，可以直接將儲(chǔ)存在乙醇中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的供能系統(tǒng)，對(duì)于解決當(dāng)今世界面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染這兩大難題具有十分重要的意義。目前，DEFC因?yàn)橐掖既剂系睦碚撃芰棵芏雀?，毒性小，成本低廉，可以通過(guò)生物質(zhì)發(fā)酵的方法大規(guī)模生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到了國(guó)內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。迄今為止，貴金屬Pt是最常用的DEFC陽(yáng)極催化劑，但是

2、，由于Pt儲(chǔ)量少、價(jià)格昂貴并且容易受到中間產(chǎn)物的毒化，從而嚴(yán)重阻礙了 DEFC的商業(yè)化進(jìn)程。因此，制備高效、低成本的Pt基合金陽(yáng)極催化劑成為DEFC研究領(lǐng)域的重大課題。本文概述了DEFC的研究背景，介紹了DEFC的工作原理和陽(yáng)極反應(yīng)機(jī)理，總結(jié)了 DEFC陽(yáng)極催化劑的研究進(jìn)展，分析了催化劑載體材料對(duì)催化劑催化性能的影響。在此基礎(chǔ)上，以制備高效、低成本的Pt基合金陽(yáng)極催化劑為目標(biāo)，探索通過(guò)調(diào)控催化劑的元素組成以及催化劑的載體材料來(lái)提高其對(duì)乙

3、醇氧化反應(yīng)的催化性能，并且進(jìn)一步分析其內(nèi)在機(jī)理，為DEFC陽(yáng)極催化劑催化性能的提升提供有益的借鑒。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴運(yùn)用改性的多元醇一步還原法，在石墨烯上直接生長(zhǎng)Pt1Ru0.5Sn0.5三元合金納米顆粒（Pt1Ru0.5Sn0.5-RGO），Pt1Ru1二元合金納米顆粒（Pt1Ru1-RGO）以及 Pt1Sn1二元合金納米顆粒（Pt1Sn1-RGO），并把它們作為直接乙醇燃料電池中乙醇氧化的催化劑材料。為了便于比較，三

4、者均在相同的實(shí)驗(yàn)條件下和商業(yè)化Pt-C催化劑進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)中，Pt1Ru0.5Sn0.5-RGO顯示了高達(dá)51.7m2·g-1Pt的電化學(xué)活性面積（ECSA），是商業(yè)化Pt-C的1.49倍。在乙醇氧化的催化反應(yīng)中，Pt1Ru0.5Sn0.5-RGO催化劑的質(zhì)量電流密度（1287 mA·mg-1 Pt）和面積電流密度（24.89 A·m-2 Pt）分別是商業(yè)化Pt-C催化劑的2.07倍和1.38倍。此外，與商業(yè)化Pt-C，Pt1Ru1-

5、RGO和Pt1Sn1-RGO催化劑相比，Pt1Ru0.5Sn0.5-RGO催化劑表現(xiàn)出最負(fù)的初始反應(yīng)電位（0.633 V）和最好的催化穩(wěn)定性。結(jié)果表明，石墨烯負(fù)載Pt1Ru0.5Sn0.5三元合金納米顆粒的催化劑 Pt1Ru0.5Sn0.5-RGO，因?yàn)槭┑膬?yōu)異特性以及Pt、Ru、Sn三種元素之間的協(xié)同作用，表現(xiàn)出對(duì)乙醇氧化具有最好的催化活性和最佳的催化穩(wěn)定性，具有一定的應(yīng)用潛力。⑵運(yùn)用NaBH4一步還原法，分別制備由石墨烯片層相互

6、交織堆疊形成的多孔三維石墨烯作為載體負(fù)載Pt3Ru0.5Cu0.5三元合金納米顆粒（Pt3Ru0.5Cu0.5-3D RGO），零維 Vulcan XC-72碳粉作為載體負(fù)載 Pt3Ru0.5Cu0.5三元合金納米顆粒（Pt3Ru0.5Cu0.5-C）以及一維碳納米管作為載體負(fù)載Pt3Ru0.5Cu0.5三元合金納米顆粒（Pt3Ru0.5Cu0.5-CNT）。將這些不同碳載體負(fù)載的三元合金納米顆粒用作乙醇氧化反應(yīng)的催化劑，同時(shí)與商業(yè)化P

7、t-C催化劑進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，三維石墨烯作為載體的Pt3Ru0.5Cu0.5-3D RGO催化劑具有最大的電化學(xué)活性面積（ECSA）（54.8 m2·g-1 Pt），對(duì)乙醇氧化反應(yīng)具有最高的質(zhì)量電流密度（1378 mA·mg-1 Pt）和最高的面積電流密度（25.14 A·m-2 Pt），最好的催化活性以及最佳的催化穩(wěn)定性?？梢?jiàn)，由石墨烯片層相互交織堆疊形成的多孔三維石墨烯載體材料促進(jìn)了Pt3Ru0.5Cu0.5三元合金納米小顆