直接甲醇燃料電池Pt-Ru基陽(yáng)極催化劑的研究.pdf

1、針對(duì)直接甲醇燃料電池（DMFC）商業(yè)化發(fā)展存在的制約因素，陽(yáng)極催化劑活性低和甲醇向陰極的滲透等問(wèn)題，本研究主要從兩個(gè)方面對(duì)DMFC陽(yáng)極催化劑進(jìn)行改性：其一是對(duì)載體進(jìn)行預(yù)處理修飾；其二是對(duì)PtRu基陽(yáng)極催化劑進(jìn)行金屬摻雜。在上述實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上，采用密度泛函理論研究了CO在金屬Pt及PtRu上的吸附狀態(tài)，為DMFC陽(yáng)極催化劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　多壁碳納米管（MWCNTs）表現(xiàn)出三維網(wǎng)狀中孔結(jié)構(gòu)，對(duì)以其為載體的PtRu催

2、化劑進(jìn)行XRD和TEM測(cè)試結(jié)果表明：PtRu金屬在MWCNTs上分布均勻，部分金屬Pt，Ru以合金形式存在。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：催化劑PtRu/MWCNTs表現(xiàn)出較高的甲醇電催化氧化能力。采用密度泛函理論（DFT）計(jì)算研究了在純Pt和PtRu體系中CO的吸附和氧化機(jī)制?？疾炝薈O在純金屬Pt體系上的三種吸附模式，結(jié)果表明CO在金屬Pt的頂位上容易吸附和脫附，同時(shí)認(rèn)為CO在金屬Ru位上吸附比較困難，而脫附比較容易，所以向金屬Pt中摻雜適量

3、的金屬Ru可以促進(jìn)CO的脫附和氧化。
　　對(duì)經(jīng)過(guò)混酸回流氧化法，高錳酸鉀氧化法和雙氧水氧化法預(yù)處理的MWCNTs進(jìn)行了Raman光譜，F(xiàn)TIR光譜和TEM等測(cè)試和表征，結(jié)果表明：混酸回流氧化法可以使MWCNTs表面均勻修飾上大量含氧官能團(tuán)。為簡(jiǎn)化MWCNTs的預(yù)處理工藝，對(duì)其在混酸中進(jìn)行了超聲處理，研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)混酸超聲處理的MWCNTs具有較好的表面官能團(tuán)化效果，并且操作工藝簡(jiǎn)單?？疾炝顺曨l率對(duì)MWCNTs表面官能團(tuán)化的影響，

4、研究發(fā)現(xiàn)：45kHz超聲處理得到的MWCNTs，管體結(jié)構(gòu)受損程度較小，表面含氧官能團(tuán)豐富，有助于催化劑制備過(guò)程中金屬Pt和Ru的沉積。采用膠體法合成了以不同超聲頻率處理的MWCNTs作為載體的PtRu催化劑。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：以頻率為45kHz超聲處理得到的MWCNTs作為載體的PtRu催化劑的甲醇氧化峰值電流比其他兩種催化劑的甲醇氧化峰電流高約8倍，表現(xiàn)出較好的甲醇電催化氧化性能。
　　采用液相還原法，通過(guò)改變PtRuM(M=

5、Ce,La,Sn)/MWCNTs催化劑中金屬前驅(qū)體物質(zhì)的量比數(shù)值(MPt:MRu:MM)制得相應(yīng)的三元催化劑。對(duì)不同摻雜金屬、不同金屬前驅(qū)體物質(zhì)的量比的催化劑進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試，發(fā)現(xiàn)金屬前驅(qū)體物質(zhì)的量比為5:4:1的PtRuCe/MWCNTs催化劑，4:4:2的PtRuLa/MWCNTs催化劑，6:3:1的PtRuSn/MWCNTs催化劑的甲醇電催化氧化活性比其他金屬前驅(qū)體物質(zhì)的量比的同種催化劑都高。
　　為了探討摻雜元素在PtRu

6、基催化劑作用下甲醇的氧化過(guò)程中發(fā)揮的作用，研究了三元催化劑的一些物理化學(xué)性能。對(duì)PtRuCe/MWCNTs催化劑的XPS和XRD測(cè)試結(jié)果表明：元素Ce能夠有效的調(diào)變催化劑的表面金屬狀態(tài)，金屬Ce與金屬Pt之間存在電子轉(zhuǎn)移，并且在CeO2中含有豐富的氧物種，可以及時(shí)氧化吸附于金屬Pt位上的CO。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明PtRuCe/MWCNTs催化劑作用下甲醇氧化峰值電流比PtRu/MWCNTs催化劑高約2倍，表現(xiàn)出較高的甲醇電催化氧化活性和較

7、強(qiáng)的抗CO中毒能力。
　　對(duì)PtRuLa/MWCNTs催化劑的XRD和XPS測(cè)試結(jié)果表明：元素La表現(xiàn)出較好的配位性能，為甲醇的吸附提供了更多的活性吸附點(diǎn)。同時(shí)金屬La與金屬Pt之間存在電子作用，降低CO在金屬Pt上的吸附強(qiáng)度。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明PtRuLa/MWCNTs催化劑甲醇氧化峰值電流比PtRu/MWCNTs催化劑高約6倍，表現(xiàn)出較高的甲醇電催化氧化活性和較強(qiáng)的抗CO中毒能力。對(duì)PtRuSn/MWCNTs催化劑進(jìn)行一系列測(cè)