多孔阵列载铂催化剂的制备及其甲醇氧化催化活性研究

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直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种将甲醇氧化反应的化学能直接转换成电能的发电装置,具有原料来源广泛且易于储存和运输、能量密度高、工作温度低、环境污染小等优点,被认为是最有可能商业化的燃料电池之一。目前,阳极催化剂载体主要是碳材料。然而,在电池运行中,特别是甲醇不足时,阴、阳极催化剂的碳载体会发生化学、电化学或热致腐蚀,导致导电性降低或引起催化剂有效组分的损失和团聚,从而降低电池性能。为加速DMFC商业化进程,发展新型阳极催化剂载体具有十分重要的意义。金属氧化物可提高DMFC中的催化剂活性和减少催化剂的CO中毒。WO3和MoO3在酸性溶液中形成的氢钨/钼青铜(HxMO3,M=W,Mo)能与铂形成协同作用,促进铂对甲醇的催化作用。本论文设计出具有多孔阵列的WO3和MoO3作为铂的载体,制备出了系列复合催化剂,进行了结构、组成和形貌的表征以及催化性能的研究,主要研究内容和得到的结果包括:   (1)以PS为模板制备的WO3多孔阵列(p-WO3)为载体,结合磁控溅射法制备出一种新的催化剂(Pt/p-WO3)。SEM和TEM显示,制备的p-WO3孔阵列排布均匀,孔径大小约550 nm,孔壁厚度约50 nm,Pt纳米颗粒粒径在3~4nm;循环伏安测试表明,Pt/p-WO3和Pt/WO3上甲醇氧化峰电流分别是4.44 mA和3.84 mA,比Pt/ITO上甲醇氧化电流(2.30 mA)分别高出93.0% and67.0%;恒电位测试表明,Pt/p-WO3和Pt/ITO电流衰减率分别为18.4%和39.3%,表明Pt/p-WO3具有更好的抗甲醇氧化中间产物中毒能力。   (2)以PS为模板制备的W0.75Mo0.25O3多孔阵列(P-W0.75Mo0.25O3)为载体,采用脉冲电压法沉积铂,制备了一种新型催化剂(Pt/p-W0.75Mo0.25O3)。SEM显示,制备的p-W0.75Mo0.25O3孔径大小约650 nm,孔壁厚度约100 nm,Pt纳米颗粒约100nm;催化剂Pt/p-W0.75Mo0.25O3和Pt/ITO上甲醇氧化峰电流大小分别为51.1 mA mgpt-1和32.3 mA mgPt-1,前者是后者的1.58倍;恒电位测试表明,Pt/p-W0.75Mo0.25O3催化甲醇氧化的电流始终比Pt/ITO的大;计时电位分析中,Pt/p-W0.75Mo0.25O3和Pt/ITO发生电位突然阶跃的时间分别为768s和485s,说明Pt/p-W0.75Mo0.25O3的抗CO中毒能力强于催化剂Pt/ITO。   (3)以PS为模板,结合循环伏安法电沉积铂,制备了铂多孔阵列(p-Pt)。SEM显示,制备的p-Pt排布均匀,孔径约为680nm。循环伏安测试中,催化剂p-Pt和Pt上甲醇氧化峰电流大小分别为40.0 mA mgPt-1和29.0 mA mgPt-1,前者是后者的1.38倍;计时电位分析中,p-Pt和Pt发生电位突然阶跃的时间分别为470s和210s,说明p-Pt的抗CO中毒能力强于催化剂Pt。
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