铂基复合催化剂的制备及电催化性能研究

【摘要】能源短缺是关乎人类社会可持续发展的重大问题之一，燃料电池的出现为解决该问题带来了新的希望。燃料电池是一种绿色、高效、环境友好的能源，它不经过燃烧直接将化学能转化为电能，被称为21世纪最为重要的能源动力之一。大多数的低温燃料电池是一种以有机小分子（如甲醇和甲酸）为动力燃料的发电装置。在燃料电池中，贵金属Pt是电极催化剂的首选材料，但Pt储量有限，价格昂贵，如何提高Pt的利用率、降低Pt的使用量成为当前最为关注的焦点问题之一。到目前为止，研究者主要集中在以下两个方面：一是合成Pt基双金属、多金属或非Pt基催化剂，通过引入第二种或者第三种金属降低Pt用量；还有一种是提高负载Pt基催化剂的载体材料性能，以有效的降低催化剂的使用成本，提高贵金属分散性能增加其性能及效率。本论文采用简单的化学和电化学方法制备电催化剂，如化学还原和恒电位沉积等方法制备电催化剂。采用扫描电子显微镜（SEM），X射线多晶衍射（XRD），透射电子显微镜（TEM）和X射线能量色散（EDX）等研究手段对催化剂的结构形貌和组成进行表征。采用一系列的电化学分析方法如循环伏安法，恒电流法，和电化学交流阻抗等考察了催化剂对甲醇和甲酸的电催化性能，本论文的主要研究内容和创新点有如下三方面：1．采用化学-电化学方法制备了Ag/Au/Pt复合金属催化剂。该催化剂以Ag颗粒为基底，以置换反应Au取代部分Ag，再电沉积Pt，这一方法有效地降低了Pt、Au的含量和制备成本。研究表明，Ag/Au/Pt复合催化剂对甲酸的电催化氧化性能明显高于纯Pt，且反应以直接氧化甲酸途径为主。同时研究了复合催化剂中Pt的含量对甲酸电氧化的影响，结果表明，当Pt载量为0.05g时催化剂具有最佳的甲酸电催化氧化活性和稳定性。CO氧化剥离实验表明,当Pt:Au＝1:6时,Ag/Au/Pt复合催化剂对CO氧化峰电势最负,相对于纯Pt催化剂负移了大约0.13V,表明该复合催化剂具有更好的抗CO毒化能力.2．通过电化学沉积的方法制备得到Pt修饰Au和PtAu合金两种不同铂金双金属催化剂，分析并比较了在这两种铂金催化剂中，不同铂金比例的催化剂分别对甲酸和CO催化氧化的影响。循环伏安结果表明Au的存在促进了催化剂对甲酸的电催化氧化，且在两种不同铂金催化剂中，当铂金比例分别为1:10.22(M-1:10.22)和1:2.04(A-1:2.04)时展示了最好的电催化氧化性能；CO溶出伏安曲线表明，在两种不同铂金催化剂中，CO峰电位发生了正移；电化学交流阻抗表明，相比于A-1:2.04，甲酸在M-1:10.22催化剂上氧化的电荷传递阻力更小。3．采用电化学方法制备了比表面积较大的3D多孔结构花状石墨烯(f-RGO)。SEM结果显示，f-RGO展现出典型的多孔结构且Pt纳米粒子能均匀的分散在花状石墨烯的表面；循环伏安曲线和计时电流曲线表明，相对于Pt/RGO/GCE和Pt/GCE电极，Pt/f-RGO/GCE催化剂对甲醇的氧化具有较高的电催化活性和稳定性；CO剥离曲线表明，Pt/f-RGO/GCE具有较高的抗CO毒化能力。这可能与Pt纳米颗粒的均匀分布以及比表面积较大的花状石墨烯能够有关，这种花状石墨烯电极材料可能是电催化氧化甲醇的高性能催化剂的优良载体材料之一。
【作者】张强；
【导师】杜玉扣；
【作者基本信息】苏州大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】石墨烯；Pt基复合催化剂；电催化氧化；甲醇；甲酸；

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