含Pd催化剂的制备及对乙醇电催化氧化性能研究

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直接乙醇燃料电池(DEFC)是将乙醇与氧反应的化学能直接转换为电能的一种发电装置。乙醇是一种最有希望代替甲醇的燃料,具有来源丰富、毒性低、含氢量高等特点。研究直接乙醇燃料电池,对于解决能源短缺和环境保护具有重要意义。本论文旨在研究以Pd基催化剂为主的阳极催化剂,制备活性高、稳定性能良好的Pd基纳米催化剂。主要考察了碳载Pd及Pd合金催化剂的金属粒径、形貌、电化学活性和稳定性。主要内容和结果如下:采用Vulcan XC-72为载体,柠檬酸钠为保护剂,NaBH4和NaH2PO2分别作还原剂通过液相化学还原的方法制备了碳负载型20wt%PdC-B和PdC-P催化剂。利用TEM、XRD、EDS等手段表征了催化剂的形貌和结构,通过循环伏安法测试了两种催化剂对乙醇电催化氧化性能,计时电流法测试了催化剂的稳定性,预吸附单层CO溶出方法测试了催化剂的抗CO中毒能力。研究结果表明:PdC-B催化剂的平均粒径为3.3nm,相比PdC-P的38.0nm要小很多。电化学测试发现PdC-B催化剂对乙醇的起始氧化电位为-0.54V,比PdC-P的-0.51V负移了近30mV,说明采用NaBH4作还原剂制备的催化剂性能较好。在此基础上,又采用NaBH4作还原剂制备碳负载型20wt%PdNi和PdCo催化剂,经过研究发现:PdCo催化剂平均粒径为2.9nm,峰值电流密度高达51.75mA·cm-2,比商业PdC (Johnson Matthey)催化剂的48.70mA·cm-2还高,表现出了良好的电催化活性。采用乙二醇法制备了不同比例的20wt%碳负载型PdMg二元合金催化剂。利用TEM、XRD、EDS等手段表征了PdMg催化剂的形貌和结构,通过循环伏安法测试了PdMg催化剂对乙醇电催化氧化性能,并采用计时电流法测试了催化剂的稳定性。结果表明,当Pd和Mg的原子比为3:2时,催化剂的平均粒径为3.1nm,对乙醇氧化电流密度在-0.25V处达到了最高85.80mA·cm-2,比PdC (Johnson Matthey)催化剂的48.70mA·cm-2高了近一倍。PdMg(3:2)催化剂对乙醇氧化具有最高的催化活性和最好的稳定性。采用乙二醇法制备了不同比例的20wt%碳负载型PdW二元合金催化剂。利用TEM、XRD、EDS等手段表征了PdW催化剂的形貌和结构,通过循环伏安法测试了PdW催化剂对乙醇电催化氧化性能,并采用计时电流法测试了催化剂的稳定性。结果表明:当Pd和W的原子比为1:1时,催化剂的平均粒径为3.6nm,PdW(1:1)催化剂的氧化电流密度在-0.27V处达到了最高62.29mA·cm-2,比PdC (Johnson Matthey)催化剂的48.70mA·cm-2还高,表现出了优异的催化氧化效果和稳定性。采用硼氢化钠和乙二醇共还原法制备了20wt%的碳负载型PdNiW和PdNiMo三元合金催化剂。测试结果表明,PdNiW和PdNiMo催化剂颗粒的平均粒径为4.2nm和3.9nm,而两者的峰值电流密度分别为51.93mA·cm-2和52.94mA·cm-2,均比商业的PdC (Johnson Matthey)催化剂要高,对乙醇氧化具有较好的催化活性。
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