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直接醇类燃料电池(DAFCs)是一种需要在阳极氧化燃料来产生电子和质子,通过在阴极降低氧气消耗的质子和电子所构成的一种直接醇类燃料电池的电化学装置。目前其技术在各个领域方面具有广泛的应用前景,如便携式电子产品、军事用途、摩托车、小功率范围汽车、叉车及物料搬运车辆等等。但是阻碍其发展的因素还有很多,如DAFCs的高使用率在实际应用中未能达到,并且其阳极催化剂中所使用的贵金属铂的成本大大提高。虽然近几年来非贵金属催化剂已经在阴极中发展相对成熟了,而且还能大大的降低了 DAFCs的成本,然而在阳极催化剂中不能没有铂依然是一个事实。在各式各样的Pt基催化剂中,商业Pt/C催化剂对醇类氧化最常用。但是由于碳腐蚀及醇类氧化过程中产生的中间产物会导致催化剂中毒等原因问题,并且这些问题会使催化剂的活性和碳的耐久性急剧下降。因此,开发一种能提高醇类氧化活性和铂基催化剂耐久性的催化剂是非常迫切的。本文分别 制备 了 Pt-CoNiO2/CNTs、Pt-MnCo2O4/N-CNTs 和Pt/Co-N-S-TiO2-CNTs在种催化剂,通过运用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射分析(XRD)、X-射线能量色散谱(EDS)及X-射线光电子能谱(XPS)对所研制出来的样品进行结构和形貌表征,并对所制得的催化剂材料进行醇类的电催化性能研究。研究工作主要包括以下几个方面:一.概述了 DAFCs的研究现状和研究背景,工作原理以及优缺点和酸碱性介质中的反应机理等等。除此之外还对铂基催化剂和其载体进行了详细简要的阐述。与此同时还简要阐述了当前对DAFCs催化剂研究所存在的问题和本篇文章的研究目的及研究内容。二.为论文的实验研究内容,包括CoNiO2修饰的碳纳米管负载良好分散性的铂颗粒及其碱性介质中对乙醇的电催化氧化,MnCo2O4修饰在氮掺杂的碳纳米管负载着分散性良好的Pt纳米颗粒及其在酸性介质中对甲醇的电催化氧化性能的研究,硫、氮和钻掺杂TiO2修饰的碳球负载贵金属Pt催化剂的制备及其在酸性介质中对乙醇的电催化性能的研究。具体研究的主要内容如下:1.以Ni(NO3)2.6H2O为镍源,Co(NO3)2.6H2O为钴源,以氟化铵调和剂,尿素作为还原剂,与多壁碳纳米管一起混合,通过水热法和高温煅烧得到了 CoNiO2修饰的碳纳米管,再通过NaBH4作为还原剂,CTAB作为表面活性剂得到了Pt/CoNiO2-CNTs催化剂。SEM、拉曼光谱(RS)、TEM、XPS、EDS的表征结果表明成功制备了 Pt/CoNiO2-CNTs催化剂,催化剂表面上的Pt粒子不仅分布均匀而且粒径较小,平均粒径约3.8nm。CO溶出伏安法研究结果表明Pt/CoNiO2-CNTs、Pt/rGO 和 Pt/CNTs 的 CO 溶出电位分别为-0.6V、-0.36V和-0.35V,Pt/CoNiO2-CNTs具有更负的CO溶出电位。通过CO氧化峰面积来计算催化剂的活化表面积(EAS),Pt/CoNiO2-CNTs、Pt/rGO 和 Pt/CNTs 的 EAS 值分别为 66.4、46.9 和 18.8 m2 g-1,Pt/CoNiO2-CNTs具有更大的EAS。循环伏安法和计时电流法的电化学表征表明,Pt/CoNiO2-CNTs 产生的电流密度明显高于Pt/rGO 和 Pt/CNTs。Pt/CoNiO2-CNTs在甲醇的循环伏安测试中,其正向扫描电流密度达到了 1057 mA mg-1,分别是Pt/rGO(449.44 mA mg-1)的 2.35 倍、Pt/CNTs(244.5 mA mg-1)的 4.3 倍。在乙醇的循环伏安测试中,Pt/CoNiO2-CNTs在所有对比的催化中达到了最高的电流密度 1143.12 mA mg-1,分别是 Pt/rGO(220.35 mA mg-1)的 5.2 倍、Pt/CNTs(372.3 mA mg-1)的3.1倍。这进一步证明了在条件下,Pt/CoNiO2-CNTs对醇类氧化催化性能比Pt/rGO和Pt/CNTs具有更高的催化活性、更好的稳定性和更强的抗CO中毒能力。2.以氟化铵作为调和剂,尿素作为还原剂,以Mn(CH3COO)2为锰源,Co(CH3COO)2·4H2O为钴源,以三聚氰胺为氮源,与多壁碳纳米管一起混合,通过水热法和高温煅烧得到了 MnCo2O4修饰的氮掺杂碳纳米管。再通过NaBH4作为还原剂,CTAB作为表面活性剂得到了 Pt/MnCo2O4-N-CNTs催化剂。运用RS、XRD、XPS和EDS分别对Pt/MnCo2O4-N-CNTs进行表征,其结果表明成功制备了 Pt/MnCo2O4-N-CNTs。SEM、TEM能清楚地看到MnCo2O4修饰碳纳米管上的贵金属Pt分布很均匀,且Pt纳米粒子粒径较小,其平均粒径约为2.8nm。循环伏安法、CO溶出伏安法和计时电流法测试表明制备的Pt/MnCo2O4-N-CNTs催化剂与同等情况下制备的Pt/MnCo2O4-CNTs、Pt/rGO和Pt/CNTs催化剂对甲醇的电催化活性进行对比。发现Pt/MnCo2O4-N-CNTs具有较大EAS,其值达到了 75.65m2 g-1。在整个循环伏安测试的甲醇电化学氧化过程中Pt/MnCo2O4-N-CNTs产生的电流密度明显高,Pt/MnCo2O4-N-CNTs的电流密度达到了 1099.94 mA mg-1,分别是 Pt/CNTs(136.74 mA mg-1)的 8 倍、Pt/rGO(355.17 mA mg-1)的 3.1 倍和Pt/MnCo2O4-CNTs(532.14 mA mg-1)的2.1倍。因此可以得出N掺杂后的碳纳米管与过渡金属氧化物具有强烈的键合作用,使其修饰后的载铂得到更好电催化性能。3.以葡萄糖为碳的前驱体,通过水热法加入TiCl3,通过水解和煅烧法得到了碳球包裹的球状TiO2碳球。然后用NaOH浸渍腐蚀得到多孔碳球,以噻吩作为硫源,三聚氰胺为氮源,Co(NO3)2·6H2O为钴源,EDTA作为还原剂一起研磨煅烧后得到硫、氮和钴掺杂的碳球。再通过NaBH4作为还原剂,CTAB作为表面活性剂,用水热法还原贵金属铂得到了 Pt/S-N-Co-TiO2-HCS催化剂。利用XRD、EDS、XPS和RS对催化剂进行成分和形貌的表征,其结果表明成功制备了Pt/S-N-Co-TiO2-HCS。SEM和TEM的表征结果表明通过碱腐蚀后的碳球上负载的Pt粒子分散特别均匀,其粒径大小为3.8nm。采用循环伏安法、CO溶出伏安法和计时电流法表对催化剂进行催化活性表征,结果表明了 Pt/S-N-Co-TiO2-HC比同等条件下制得的Pt/XC、Pt/TiO2-HCS和Pt/N-S-Co-HCS在乙醇的催化氧化过程中具有较大EAS和更高的电催化活性、更好的CO抗中毒能力和更有效的长期稳定性。其吸附COads的电化学氧化峰电位最低为0.527V,其EAS值最大达到了76.46m2 g-1。Pt/S-N-Co-TiO2-HCS在酸性的乙醇循环伏安测试中,其正向扫描峰的电流密度达到了 728.61 mA mg-1,分别是Pt/XC(166.08 mA mg-1)的4.38倍、Pt/TiO2-HCS(16.62 mA mg-1)的 43.8倍和 Pt/S-N-Co-HCS(76.07 mA mg-1)的9.5倍。因此可以得出S、N和Co掺杂后的碳球修饰后的载铂在酸性的乙醇电催化氧化过程中具有更好电催化性能。