Pt/WC/MWCNTs纳米复合催化剂的制备及电化学性能研究

来源 :辽宁科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zhangqiang
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直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是以液态或气态甲醇作为燃料,将化学能直接转变为电能的新型能源转换装置。DMFC具有能量密度高、燃料储量丰富、环境友好、操作方便等优点,是便携式电子设备和电动汽车等领域理想的电源。目前,贵金属铂(Pt)仍作为DMFC中阳极和阴极两侧最常用的电催化材料。Pt资源有限、价格昂贵,且Pt表面的活性位点易被CO覆盖导致催化活性减弱,极大地限制了DMFC的商业化发展和应用。过渡金属碳化物(Transition metal carbides,TMCs)主晶面上的原子排列与Pt相似,这种表面电子结构使得部分TMCs具有类铂的催化活性,因此在燃料电池催化剂载体领域受到了高度关注。传统合成Pt/TMCs的方法不能使Pt和TMCs之间充分接触,导致TMCs的助催化能力有限,协同催化作用不明显,催化剂的活性不高。针对以上问题,本文采用一种可控合成过程制备Pt/WC/MWCNTs纳米复合催化剂,并对其电化学性能进行了详细研究。本文主要的研究内容如下:(1)采用“一步法”原位还原制备不同碳化钨(WC)质量分数的Pt/(WC)x/MWCNTs纳米复合催化剂。通过X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和拉曼光谱(Raman)等方法对Pt/(WC)x/MWCNTs的结构、形貌和组成进行了表征和分析。结果证明当Pt原子和WC分子之间充分接触时,吸附在Pt表面上的CO更容易被剥离,充分暴露Pt和WC的活性位点,提高Pt与WC之间的协同催化作用。当WC质量分数为15%时,即Pt/(WC)15/MWCNTs表面颗粒尺寸最小且分布均匀,粒径约为4.62 nm。电化学性能测试结果表明,与商业催化剂Pt/C(ETEK)和其他制备的催化剂相比较,Pt/(WC)15/MWCNTs对甲醇和乙醇氧化均表现出优异的电催化活性和稳定性。(2)采用“一步法”原位还原制备相同摩尔比的Pt/WC/MWCNTs和Pt/WMoC/MWCNTs纳米复合催化剂。通过XRD、TEM和SEM等方法对Pt/WC/MWCNTs和Pt/WMoC/MWCNTs的结构和形貌进行了表征和分析,结果证明加入掺杂元素Mo后可细化晶粒尺寸,Pt/WMoC/MWCNTs表面颗粒细小且均一,平均粒径约为7.41 nm,而Pt/WC/MWCNTs中平均粒径约为16.51 nm。晶粒尺寸细化可增加催化活性面积,从而提高电化学反应中的催化活性。电化学性能测试结果表明,Pt/WMoC/MWCNTs的电化学活性面积分别是ETEK和Pt/WC/MWCNTs的2.4倍和3.1倍。同时,Pt/WMoC/MWCNTs对甲醇和乙醇氧化具有良好的稳定性及较高的抗CO中毒能力。
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