负载型Pt催化剂的制备及在甲醇和CO电催化氧化反应中的构效关系研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 唐志诚
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| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-14 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 吕功煊 |
| 关键词 | 直接甲醇燃料电池 电催化 电氧化 电催化剂 甲醇 CO 构效关系 direct methanol fuel cell electrocatalysis electro-oxidation electrocatalyst methanol structure-performance relationship |
| 学位专业 | 物理化学（含：化学物理） |
| 中文摘要 | 本论文系统的研究了甲醇电催化氧化催化剂中载体与金属活性中心的构效关系，利用TEM、SEM、XRD、XPS、BET、CV和CA等手段对催化剂进行了一系列的表征，取得了一些有创新性的结果： 1.金属粒子尺寸、形貌与催化活性之间的关系研究（1）以PVP为保护剂，用氢气还原H2PtCl6溶液，在避光保存的条件下，通过改变[H2PtCl6]/[PVP]的比值，可控制所制备的Pt纳米粒子的尺寸及形貌。所制备的Pt纳米粒子平均粒径分别为0.8nm，1nm，2.1nm，7.7nm以及聚集体，其相应的形貌分别为“不清晰”，“不清晰”，三角形，雪花状，三角形。（2）以CO为探针分子，考察了所制备的催化剂的尺寸及形状效应。当Pt纳米粒子尺寸小于1nm时，CO氧化峰电位基本不变。而当Pt纳米粒子尺寸大于1nm时，随着Pt纳米粒子尺寸增加，CO氧化峰电位负移。雪花状Pt纳米粒子结构稳定，分散性好，其CO氧化峰电位也较负，适合用作CO电催化氧化。（3）制备的Pt纳米粒子是面心立方结构。实验证实了Pt纳米粒子的尺寸形貌与CO分子氧化峰电位之间存在“指纹效应”。 2.聚苯胺膜载体与金属催化剂之间的构效关系（1）用循环伏安法在玻碳电极表面聚合苯胺，再采用恒电位电沉积法沉积Pt，制备出Pt/PAni/GC电极，研究了聚苯胺膜对催化剂活性的影响，并对实验条件进行了优化。（2）在最优条件下，制备了一系列含过渡金属催化剂PtM/PAni/GC电极。发现过渡金属为Cr时，甲醇氧化峰电流最大。（3）在最优条件下，又制备了PtRuCr/PAni/GC电极。电化学结果表明甲醇和CO在PtRuCr/PAni/GC电极上比在Pt/PAni/GC和PtRu/PAni/GC电极上有更高的催化活性及稳定性。（4）金属纳米粒子在聚苯胺表面分散性非常好。沉积Pt或者PtRu纳米粒子时，金属纳米粒子仅分散在聚苯胺表面或者镶嵌在膜中间。而沉积PtRuCr时，聚苯胺膜以及金属纳米粒子之间形成了簇状结构，簇与簇之间存在空隙，有利于反应物及产物在催化剂之间流通，反应物及中间产物与催化剂接触面积大，有利于甲醇及CO分子的电催化氧化。 3.碳黑载体的表面修饰对催化剂活性的影响（1）采用三种不同性质的气体（H2，O2，Ar）作为等离子体气源，用来处理碳黑。处理后碳黑表面的物理性质（比表面积，孔体积，孔径，表面氧浓度）有明显的改变。（2）将等离子体处理的碳黑作载体，用HCHO还原法还原H2PtCl6制备催化剂。电化学表明当用氢气和氩气为等离子体气源，处理的碳黑负载催化剂对甲醇电催化氧化活性有明显的改善，尤其是用氢气为等离子体源时。处理时间对甲醇的电催化氧化活性也有重要影响，处理时间为10min时，甲醇氧化活性最高。（3）使用尿素修饰并在高温下焙烧的方法制备了含氮碳黑。制备的碳黑表面的氮含量相对于未处理样有明显的提高。处理后碳黑表面的物理性质（比表面积，孔体积，孔径）有明显的改变。（4）将处理过的含氮碳黑作为载体，用HCHO还原法还原H2PtCl6制备催化剂。电化学表明含氮碳黑负载Pt催化剂其活性和稳定性均远高于未处理样。处理温度对催化剂的活性有明显的影响，当处理温度为700℃时，碳黑负载Pt催化剂对甲醇有最好的电催化氧化行为。 4.稀土氧化物改性对催化剂活性的影响（1）采用湿浸渍还原法，制备了一系列稀土氧化物LnOx（Ln=Sc，Y，La，Ce，Pr和Nd）修饰的Pt/C催化剂。当稀土为Pr或Ce时，Pt纳米粒子分散性较好，尺寸较小。稀土氧化物主要以无定型形式分散。电化学表明Pr能明显提高甲醇电催化氧化的活性。Pr和Ce能提高甲醇电催化氧化的稳定性。（2）固定稀土为Pr，制备了一系列Pr氧化物修饰的Pt/C催化剂，考察了Pt/Pr比例对催化剂活性的影响。电化学表明当Pt/Pr=3/1和1/1时，催化剂活性和稳定性比较高。（3）固定Pt/稀土=3/1，制备PrCe复合氧化物共修饰的Pt/C催化剂，替代单一稀土氧化物修饰的催化剂。考察了Pr/Ce比例对甲醇电催化氧化活性的影响，发现当Pr/Ce=1/1时，催化剂活性及稳定性最高。同时，采用PrCe复合氧化物共修饰的Pt/C催化剂比未修饰催化剂及单一氧化物修饰的催化剂对CO有更好的电催化氧化作用。 |
| 学科主题 | 光电催化 |
| 公开日期 | 2013-04-26 |
| 源URL | [http://210.77.64.217/handle/362003/2933]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_OSSO国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 唐志诚. 负载型Pt催化剂的制备及在甲醇和CO电催化氧化反应中的构效关系研究[D]. 中国科学院研究生院. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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