直接甲醇燃料电池阳极催化剂Pt/n-graphene的合成研究

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直接甲醇燃料电池(DMFC)具有高能量密度、低污染物排放、低操作温度、液体燃料易于运输储存等优点,引起研究者的高度关注,是目前研究最为广泛的一类燃料电池。然而在甲醇电化学氧化的过程中,阳极催化剂的低催化活性成为限制其商业化发展的主要障碍之一。  目前,DMFC主要采用铂作为催化剂,但铂价格昂贵,资源短缺。为了降低铂催化剂的负载量,提高铂催化剂的催化活性和催化效率,以石墨烯为载体的Pt/石墨烯纳米催化剂成为该领域的重要研究方向之一。  近年来,石墨烯因其独特的石墨平面结构、良好的导电性能和高比表面积,成为燃料电池领域中金属催化剂载体。因此,本论文主要研究了以石墨烯为载体,通过N掺杂的方法制备高分散N-石墨烯,进而将Pt纳米粒子均匀地分散在N-石墨烯表面,考察了不同的合成方法对目标材料颗粒的粒子大小、分散状态及综合电化学性能的影响,对目标材料的制备工艺进行了深入详细的实验研究。并结合多种分析和表征手段对材料性能进行研究,如通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等研究手段对催化剂的形貌、结构、元素组成进行了详细研究,并用循环伏安法(CV)、计时-电流法、交流阻抗法(EIS)等电化学分析方法研究了其对甲醇氧化的电催化活性。  (1)利用水合肼作为N源,硼氢化钠作为还原剂,两步法制备Pt/N-graphene纳米催化剂。通过XRD和TEM等技术对催化剂的微观结构和形貌、元素组成进行了表征,发现Pt/N-graphene纳米催化剂中Pt纳米颗粒的大小约为3nm。在相同金属催化剂载量下,采用电化学循环伏安法、电流密度-时间曲线等方法研究比较了催化剂对甲醇的电催化性能,并与Pt/graphene纳米催化剂进行了比较。研究发现,采用两步法合成的Pt/N-graphene纳米催化剂对甲醇电化学氧化的氧化峰电流值是Pt/graphene纳米催化剂的2.5倍,且Pt/N-graphene纳米催化剂具有更好的抗中毒能力和长期稳定性。  (2)利用N-甲基吡咯烷酮作为N源,乙二醇作为原剂,多元醇方法合成Pt/N-graphene纳米催化剂。合成方法简单,只需一步,且易于处理。采用XRD对材料的相结构进行表征,采用SEM对催化剂的形貌进行表征,显示了Pt/N-graphene纳米催化剂的颗粒较小,且粒径分布均匀。在相等Pt负载量下,采用电化学方法分析催化剂对甲醇电化学氧化的催化性能,并与Pt/graphene纳米催化剂进行了比较。结果显示Pt/N-graphene纳米催化剂对甲醇具有很好的催化活性,且具有很好的抗中毒性能和循环寿命。
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