低共熔溶剂中Pd和Pt基催化剂的化学还原制备及其在燃料电池电催化中的应用

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燃料电池是一种把燃料(例如,氢气、甲醇、甲酸等)和氧化剂(氧气、空气)的化学能在催化剂的作用下转换成电能、水和热能的电化学装置。在众多的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有工作温度低、启动快、能量转化率高、储存和运输便利等优点而被应用在移动通讯和笔记本电脑等便携式电子设备。贵金属Pt和Pd催化剂具有较高的催化活性,化学稳定性,交换电流密度和自由能而被用作PEMFC最有效的电催化剂。然而,由于贵金属催化剂的固有成本较高、资源有限、容易失活和易被中间产物毒化等缺点,大大限制了其广泛的应用。因此,迫切需要探索新型的阳极催化剂来降低贵金属的用量并提高催化剂的性能。近年来,以低共熔溶剂(DESs)为介质制备燃料电池电催化材料受到了人们的重视。然而,目前报道的几种电催化剂均通过电化学方法合成,有关采用化学还原法在DESs中制备燃料电池催化剂的研究尚未见文献报道。本论文以DESs为介质构建了两种新颖的电催化剂,并分别研究了它们对甲酸和甲醇氧化的电催化性能。取得的原创性结果如下:(1)以氯化胆碱/尿素DESs为介质,通过化学还原法合成了一种新颖的类花状网状钯纳米结构,研究了其对甲酸氧化的电催化性能。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线能量色散谱(EDX)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试对所制备的材料进行表征。结果表明,类花状钯纳米网状结构能够明显增强对甲酸的电催化氧化性能。(2)以氯化胆碱/乙二醇DESs为介质,通过一步溶剂热法成功制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)载PtV合金纳米催化剂(PtV/MWCNTs)。采用XRD、TEM、XPS等技术表征了所制备催化剂的晶体结构、形貌、尺寸和电子相互作用。通过循环伏安法,计时电流法和CO溶出伏安法等电化学测试研究它们对甲醇氧化的电催化性能。结果表明,所制备PtV/MWCNTs催化剂对甲醇氧化表现出更高的电催化活性、稳定性以及抗CO毒化能力。本论文的研究结果对在非水体系中设计与合成高性能Pt基和Pd基催化剂具有重要价值,所制备的催化剂在直接燃料电池以及其它电催化领域中显示出良好的应用前景。
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