Pd基燃料电池催化剂的制备及性能研究

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直接醇类燃料电池(DAFC)作为一种高效、清洁的能量转换装置而倍受关注。然而,传统钯基催化剂在直接醇类燃料电池的运行过程存在严重的稳定性缺陷,成为制约其应用的瓶颈。本文针对钯基催化剂的稳定性难题,采用液相还原法制备钯基催化剂,以乙二醇为燃料,重点研究氧化物(尤其是二元氧化物)作为载体对Pd/C催化剂的结构、催化活性及抗CO中毒能力的影响;并在此基础上,系统考察了金属氧化物的种类、含量、沉淀剂等因素对钯基催化剂的结构及催化性能影响,进而探讨催化剂的结构与性能的相关性规律。首先,研究SnO2含量对催化剂的结构、催化活性及稳定性的影响。结果表明:SnO2能够提高钯基催化剂的活性;当Pd:SnO2=2:1时,催化剂的Pd尺寸最小(4nm),尺寸分布最窄;相应地,该该催化剂的催化活性和稳定性最好;其次,研究不同沉淀剂(氢氧化钠,氨水和尿素)对CeO2/C为载体的Pd基催化剂的结构、催化活性及稳定性研究表明:尿素作为均匀沉淀剂制备的Pd/CeO2/C,其含有的CeO2颗粒尺寸较小,分布均匀,促进Pd在载体上的均匀分散,且Pd的粒径最小;同时,该催化剂具有最佳的催化活性和稳定性;再次,研究Ru-Sn体系氧化物对催化剂的结构、催化活性及稳定性的影响。结果表明:适量添加RuO2(5mol.%)可形成SnO2基固溶体,不仅能够减小Pd纳米晶的粒径,而且改变Pd的电子结构;Pd/RuO2-SnO2/C催化剂的催化活性和稳定性明显优于Pd/C和Pd/Sn2O/C催化剂。其中,Pd/RuO2-SnO2/C具有最大的电化学活性表面积(72m2·g-1)和最低的CO脱附起始电位(0.54 V),表明其具有最佳的抗CO中毒能力;最后,研究了 Zr-Ce体系氧化物对Pd/C催化剂的结构、催化活性及稳定性的影响。结果表明:添加50%ZrO2时,氧化物体系形成CeO2基固溶体;该固溶体与Pd形成强烈相互作用改变Pd的电子结构,显著提高催化剂的催化活性和稳定性;此外,固溶体也能够促进催化剂对OH-的吸附,从而加速CO的氧化剥离,改善催化剂的稳定性。
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