基于锰氧化物的直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究

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由于不可再生化石能源在地表的储量有限,人类社会的可持续发展亟需新型的能源发生和转换装置。直接甲醇燃料电池以甲醇为燃料,具有能量转换效率高、清洁、噪音低等特点,越来越被人们所重视。电催化剂是直接甲醇燃料电池中十分重要的一部分,人们常常把低成本和高利用率作为电催化剂的追求目标。为了达到这一目标,将纳米尺寸的贵金属Pt与过渡金属氧化物相结合是一种常用的方法。本文基于锰氧化物独特的物理化学性质、丰富的地表储量以及低廉的价格,制备了几种具有一定形貌的含有锰氧化物的电催化剂,并分别考察了其对甲醇的电催化氧化性能。研究工作主要包括以下几个方面:(1)以具有一维管状结构的Mn3O4-C为载体,利用双牺牲模板法制备了一种新型的Pt基催化剂Pt/Mn3O4-C。通过透射电子显微镜、X射线衍射、能量散射光谱对所制备催化剂的形貌、结构和组成进行表征。采用循环伏安法和长期循环稳定性测试考察其电化学性能。结果表明,粒径为1.8nm的Pt纳米颗粒在管状Mn3O4-C上分布均匀,Pt/Mn3O4-C催化剂对甲醇氧化具有很好的电催化活性和稳定性。这可能是由于Pt粒子的高分散性以及Pt和Mn3O4之间的协同催化作用。(2)以氮掺杂的空心碳球(N-HCS)为碳载体,利用N-HCS中C能与KMnO4直接反应的特点,制备了中空球状的MnO2-NC材料。在此材料的基础上,通过乙二醇还原氯铂酸,制得Pt/MnO2-NC催化剂。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能量散射光谱和X射线衍射对其形貌和结构进行了表征。用循环伏安法和计时电流法考察了Pt/MnO2-NC催化剂对甲醇的电催化性能。结果表明,Pt/MnO2-NC对甲醇的阳极氧化正扫峰电流密度高达1675mA mg-1,分别约为Pt/N-HCS和商用E-TEK Pt/C催化剂的3倍和4.5倍。此外,其稳定性也是三者之中最好的。(3)以N-HCS为碳载体,制备了Mn3O4-NC材料,在此基础上,结合Mn3O4与Pt之间具有协同催化作用的特点,制得具有空心球状结构的Pt/Mn3O4-NC催化剂。扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能量散射光谱和X射线衍射表征结果表明,制备的Pt/Mn3O4-NC催化剂很好地维持了空心球状结构,Pt的颗粒大小为2.1nm。通过循环伏安法和计时电流法考察了其对甲醇的电催化氧化性能,结果表明,Pt/Mn3O4-NC可以很好地催化甲醇氧化,其氧化峰峰电流密度比E-TEK PtRu/C和Pt/C分别高出4倍和5倍以上。其电化学稳定性也优于E-TEK PtRu/C和Pt/C。
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