钯基纳米催化材料的制备及其醇电氧化性能研究

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直接醇类燃料电池作为一种新型绿色能源,以其能量密度高、结构简单和条件温和等优点而受到广泛关注。醇在碱性介质中具有比在酸性介质中更好的反应动力学,且催化剂的选择范围更广。铂基催化剂常用于催化直接醇类燃料电池阳极氧化反应,但钯基催化剂存储量更大、成本更低,且在碱性介质中表现优异,抗毒化能力更强。因而钯基催化剂应用前景十分广阔。Ce O2作为一种过渡金属氧化物,热稳定性好、氧空穴多,可以促进催化反应中的电子传递,提高钯基催化剂性能。石墨烯作为一种新型碳材料,具有比表面积大、导电性好、成本低廉等优点,非常适合作为钯基催化剂载体。本论文基于伽伐尼置换法以不同维度的银纳米材料为模板合成了一系列钯基纳米催化剂,并研究了这些催化剂在碱性介质中的醇电氧化性能并通过二氧化铈或/和石墨烯的复合进一步提高催化剂的电催化性能,具体研究结果如下:(1)以银纳米颗粒为模板,通过连续两步伽伐尼置换反应,制备出Au@PdAgNSs(Au@PdAg Nanospheres),再与氧化石墨烯(GO)复合还原,制得Au@PdAgNSs/rGO(reduced graphene oxide supported Au@PdAg Nanospheres)。电化学研究表明,两种催化剂在碱性介质中均对乙醇表现出较好的电催化活性,Au@PdAgNSs/rGO相较于无载体的Au@PdAg NSs,其乙醇电催化氧化性能得到明显提高,与商业钯碳催化剂比较,三种催化剂的电催化活性顺序为Au@PdAgNSs/rGO>Au@PdAgNSs>商业钯碳。(2)以银纳米线为模板,通过伽伐尼置换反应,成功地制备出了形貌规整的PdAgNTs(PdAg Nanotubes),然后通过与rGO和Ce O2的进一步复合,制得PdAgNTs/rGO与PdAgNTs/CeO2NPs/rGO催化剂。电化学性能测试结果表明,PdAgNTs/CeO2NPs/rGO在碱性介质的乙醇氧化峰电流密度为PdAgNTs/rGO的1.57倍,引入的Ce O2NPs促进了乙醇在催化剂表面氧化反应过程中的传质作用,提高了乙醇在催化剂表面电氧化反应速率常数,因而提高了催化剂的电催化活性。(3)以银纳米片为模板,通过连续两步伽伐尼置换反应,制备出具有中空结构的钯金银纳米片(PdAuAgNPs)。利用SEM、XRD和XPS等方法对催化剂的形貌、结构和表面组成进行了表征。电化学性能测试结果表明:Pd AuAgNPs相较于商业钯碳,在碱性介质中催化乙醇的电化学活性和稳定性更好,并且相对于商业钯碳催化剂,PdAuAgNPs上的乙醇电氧化过程中的传质速率和电荷传递速率得到了改进。
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