钯负载于氧化铌基载体的构建及其电催化性能的研究

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人类发展至今,一切经济与生存都依赖于能源,能源是一个国家经济实力的象征。面对能源匮乏问题,直接醇类燃料电池(DAFC)作为电池领域中的佼佼者脱颖而出,成为了各国研究和开发的热点。DAFC作为一种新型装置,可以应用在汽车、轮船和小型发电站等领域。DAFC组成结构简单,不受卡诺循环的限制,转换效率高,无污染等优点,最主要的是消耗的燃料为可再生资源的醇类物质。目前,大部分用到的商业铂碳都存在稳定性差,成本高等缺点。本文中设计以氧化铌基材料为载体,通过对其形貌的控制,表面修饰和多相复合一系列的研究,来实现其在乙二醇和丙三醇中电催化氧化性能的提升。研究内容主要有以下几个方面:(1)采用溶剂热法制备了正交晶系海胆形貌的五氧化二铌(Nb2O5)海胆微球,并将Pd纳米粒子负载于Nb2O5微球上,得到电催化剂Pd/Nb2O5。通过X-射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对样品的晶型、形貌等进行了测试。并通过电化学测试技术(循环伏安法、交流阻抗法等)对该催化剂在碱性条件下测试,结果表明,纯相Nb2O5外露面大,Pd纳米粒子均匀负载于表面,并且产生很强的相互作用,使得该催化剂对乙二醇和丙三醇均有较好的电催化活性、抗中毒能力和循环稳定性。(2)由于载体Nb2O5是半导体,带隙约为3.4ev,导电性不高。通过研究掺杂Fe3+、Co2+、Ni2+对Nb2O5海胆微球改性,然后采用掺杂的五氧化二铌负载Pd纳米粒子(Pd/X-Nb2O5,X=Fe,Co,Ni)催化剂。通过XRD,SEM,TEM,X-射线光电子谱(XPS)等技术对催化剂的晶型,形貌以及组成等进行了表征。结果显示,过渡金属掺杂使得Nb2O5海胆微球的导电性增强,造成晶格畸变和形成无定形结构。通过电化学测试技术对催化剂在碱性条件下测试,该催化剂对乙二醇和丙三醇的电催化活性和稳定性均优于商业Pd/C(10%)。(3)通过水热的方法将CeO2与Nb2O5海胆微球进行复合,通过改变Ce与Nb的摩尔比,并采用回流的方法合成Pd/CeO2-Nb2O5。由于CeO2的加入,与Nb2O5形成异质结结构,加快表面电子转移速率,同时载体与Pd纳米粒子之间的协同作用,都可以大大提升复合催化剂的电催化性能,且复合物材料具有很好的碱稳定性。通过一系列表征方法证明,制备的Pd/CeO2-Nb2O5(Ce∶Nb=3:1)与商业Pd/C(10%)、Pd/Nb2O5和Pd/CeO2相比较,表现出最好的电催化活性。
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