金属氧化物在直接醇类燃料电池中的应用研究-应用化学专业毕业论文

1、.金 属 氧 化 物 在 直 接 醇 类 燃 料 电池 中 的应 用 研 究石 墨 电 极 相 比 于 Pt/C N T s/石 墨 电 极 对 乙 醇 电 催 化 氧 化 具 有 更 好 的 催 化 活 性 ， 并 表现 出 良 好 的 抗 中 毒 能 力 。关 键 词 : 碳 纳 米 管 ; 氧 化 物 ; 电 催 化 剂 ; 铂 ; 电 极 ; 直 接 醇 类 燃 料 电 池犷：高 校 教 师 硕 士 学 位 论 文A b s tr a C tD ireet a leo h o l fu el e e ll (D A F C ) 15 a k in d o f e le etrie a

2、l g en eratio n d ev ie e . It e o n v e rts d ire e tly c h e m ie a l e n e rg y ，w h ie h 15 s a v e d u P in f u e ls a n d o x id a n t，to e le e trie e n e rg y . A n d it 15 th e f o u rth e le e tr ie a l g e n e ra tio n te e h n o lo g y a f te r w a te r P o w e r，th e rm a l P o w e r a

3、n d n u c le a r P o w e r， w h ie h w ill b e th e P re f e rrre d ， u n d e f ile d ， h ig h e f fi e ie n e y e le e trie ity P o w e r in th e 2 1 e e n tu re . W ith th e d e v e lo P m e n t o f D A F C in v e s tig a tio n ，th is g re e n e n e rg y te e h n o lo g y b e e o m e s m a tu re ，

4、w h ie h 15 o f g re a t im P o rta n e e f o r s o v lin g s e a re ity o f e n e rg y s o u re e s a n d e n v iro n m e n ta l P o llu tio n . H o w e v e r，th e m o s t P ro b le m sa re th e lo w e le e tro e h e m ie a l a e tiv ity o f a n o d ie e a ta ly s ts a n d h ig h “m e th a n o l e

5、ro s s o v e r，th ro u g h th e P ro to n ex eh a n g e m e m b ra n e (P E M ) w h ieh w ill d eP re ss th e aetiv ity o f e a th o d e . E s P e e ia lly ， n o b le m e ta l P t w ith h ig h P r ie e 15 s till th e P r im a ry e a ta ly s ts f o r D A F C . T h e re f o re ， it 15 n e e e s s a ry

6、 to P re P a re e a ta ly s ts w ith lo w lo a d in g a n d h ig ha e tiv ity ，w h ie h 15 a ls o a n e f fe e tiv e w a y to re d u e e th e e o st o f f u e l e e ll. In th is P a P e r，P t一C e o x/g r a P h ite ，P t一M o o x/C N T /g ra P h ite a n d P t/M g O 一C e 0 2 一C N T /g ra P h ite e le e

7、tro d e s w e re P re P a re d a n d th e ir e le e tro e h e m ie a l P ro P e rtie s w e re in v e s tig a te d in d e ta il. T h em a in w o rk s in v o lv e d in th is th e s is a re P re s e n te d a s f o llo w s :1 . C e o 、 n a n o P a rtie le s u s e d in th is s tu d y w a s P re P a re d

8、b y a g g lo m e ra tio n a t h ig h te m P e ra tu re ，th e n e o m P le x e d w ith P t to f o rm th e n e w h ig h ly d is P e r s e d a n o d e e a ta ly s t. T h e e le e tro e a ta ly tie P ro P e r tie s o f P t一C e O 、e a ta ly s t s u P P o r te d o n g ra P h ite e le e tro d e f o rm e th

9、 a n o l o x id a tio n h a v e b e e n in v e s tig a te d in 1 .0 M C H 3O H + 0 .1 M H Z S O 4 b y e y e lev o lta m m etry (C V ). P t一C e O 、/g ra P h ite e le etro d e w e re a lso e h a ra ete riz e d b y se a n n in g e le etro n m iero sc o P y (S E M ) a n d en erg y d isP ersiv e X 一ray s

10、P e etro seo P y (E D S ). O n th e o th e r h a n d ，th e e f fe e t o f d if fe re n t ra tio o f P t : C e O 、o n th e P e rf o rm a n e e o f th e e a ta ly s tw a s in v e s tig a te d . T h e r e s u lts in d ie a te th a t th e P t一C e o x/g r a P h ite e le e tr o d e s h o w s h ig h e r e

11、le e tro c a ta ly tie a e tiv ity a n d g o o d lo n g 一te rm e y e le s ta b ility f o r m e th a n o l o x id a tio n .2 . M o o x ，a n o n 一n o b le s e e o n d a ry e a ta ly s t in ste a d o f n o b le m e ta l R u ，w a s d is P e r s e do n e a rb o n n a n o tu b e s (C N T ) a n d th e n th

12、 e P rim a ry e a ta ly st P t w a s e le e tro d e P o site d o nM o o x/C N T /g ra P h ite e le e tro d e b y P o te n tia l一s te P m e th o d . C N T u s e d in th is P a P e r w a sg r o w n d ir e e tly o n g r a P h ite d is k b y e h e m ie a l v a P o r d e P o s itio n . T h eP t一M o o x/C

13、 N T /g ra P h ite e le e tr o d e w a s e h a ra e te riz e d b y s e a n n in g e le e tro n m ie ro s e o P y a n d e n e rg y d isP e rs iv e X 一ra y s P e e tro s e o P y . T h e e le e tro e a ta ly tie P ro P e rty a n d th elo n g 一te rm e y e lie sta b ility o f P t一M o o x/C N T /g ra P h

14、ite e le e tro d e f o r e th a n o l o x id a tio nh a v e b e e n in v e s tig a te d in 1 .0 m o l/L C H 3 C H 2 0 H + 0 .1 m o l/L H Z S O 4 b y e y e lieIV金 属 氧 化 物 在 直 接 醇 类 燃 料 电 池 中 的 应 用 研 究v o lta m m e try . O n th e o th e r h a n d ，th e e f fe e t o f th e lo a d in g m a s s o f M o O

15、 、 o n sP e e if ie a e tiv ity o f P t一M o o x/C N T /g ra P h ite e le e tro d e a n d th e a e tiv a tio n e n e rg y o f e th a n o l o x id a tio n w e re in v e stig a te d . T h e re s u lts in d ie a te th a t th e s P e e if ie a e tiv ity o f th eP t一M o o x/C N T /g ra P h ite e le e tro

16、d e 15 little lo w e r th a n th a t o f P t一R u /C N T /g ra P h itee le e tro d e ， b u t m u e h h ig h e r th a n th a t o f P t/C N T /g ra P h ite e le e tro d e . A ls o ， th eP t一M o o x/C N T /g ra P h ite e le e tro d e s h o w s g o o d lo n g 一te rm e y e le sta b ility .3 . P t/M g O 一C

17、 e O Z 一C N Th y b r id e le e tro e a ta ly st f o r e th a n o l e le e tro o x id a tio n w e re s im P ly P re P a re d . T h e m ie ro g ra P h s a n d e le m e n t e o m P o s itio n s o f P t/M g O 一C e O Z 一C N Te a ta ly s t w e re e h a ra e te r iz e d b y s e a n n in g e le e tro n m ie

18、 ro s e o P y a n d e n e rg y d is P e r s iv eX 一ra y s P e e tro s e o P y ， re s P e e tiv e ly . T h e e le e tro e a ta ly tie P ro P e rtie s o f P t/M g O 一C e O Z 一C N T e a ta ly s t f o r e th a n o l o x id a tio n h a v e b e e n in v e s tig a te d b y e y e lie v o lta m m e try in th

19、 e b a s ie s o lu tio n . T h e e f fe e t o f th e e o n te n t o f M g O a n d C e O Z o fP t/M g O 一C e O Z一C N T e a ta ly s t o n th e e th a n o l e le e tro c a ta ly tie a e tiv ity w a s a ls oin v e stig a te d . U n d e r th e s a m e P t lo a d in g m a s s a n d e x P e rim e n ta l e

20、o n d itio n s f o r e th a n o l o x id a tio n ， P t/M g o 一C e 0 2 一C N T e a ta ly st s h o w s h ig h e r e le e tro e a ta ly tie a e tiv ity th a nP t/C N T e a ta ly s ts . A d d itio n a lly ， P t/M g O 一C e 0 2一C N T e a ta ly s ts P o s s e s s a g o o da n ti一P o is o n in g a b ility .K

21、 e y w o r d s : C a r b o n n a n o t u b e ， o x id e s ， E le c t r o c a ta ly s t s ， P la t in u m ， E le e t r o d e s ，D A F CV声高 校 教 师 硕 士 学 位 论 文目录学 位 论 文 原 创 性 声 明 与 学 位 论 文 版 权 使 用 授 权 书 .I摘要 . HA b s tr a c t . IV第 1 章绪 论 . 11.1 燃 料 电 池 概 述 . 11.2 燃 料 电 池 的 原 理 及 特 点 . 11.3 燃 料 电 池 的 类

22、型 以 及 主 要 用 途 . 21.3 .1 燃 料 电 池 的 类 型 . 21.3 .2 燃 料 电 池 的 主 要 用 途 . 31.4 直 接 醇 类 燃 料 电 池 原 理 及 发 展 现 状 . 41.4 .1 直 接 醇 类 燃 料 电 池 原 理 . 41 .4 .2 直 接 醇 类 燃 料 电 池 发 展 现 状 . 51.5 直 接 醇 类 燃 料 电 池 主 要 技 术 问 题 . 71.5 .1 阳 极 催 化 剂 问 题 .，.，.，.，.，. 71.5 .2 醇 类 分 子 的 渗 透 问 题 . 81.5 .3 其 他 问 题 . 91.6 纳 米 金 属 氧

23、化 物 燃 料 电 池 电 催 化 剂 的 研 究 现 状 .，. 91.7 纳 米 金 属 氧 化 物 的 制 备 . 101.7 .1 沉 淀 法 . 101.7 .2 溶 胶 一凝 胶 法 . 101.7 .3 水 解 法 . 101.7 .4 溶 剂 蒸 发 法 . 111.7 .5 水 热 合 成 法 及 溶 剂 热 合 成 法 . 111.7 .6 有 机 配 合 物 前 驱 体 法 . 111.7 .7 微 乳 液 法 ( 反 相 胶 束 法 ) . 111.8 课 题 选 择 的 意 义 和 内 容 . 11第 2 章Pt 一C e o x/石 墨 电 极 的 制 备 及 其

24、对 甲 醇 电 催 化 氧 化 性 能 研 究 . 132 .1 实 验 部 分 . 142 .1.1 实 验 药 品 . 142 .1.2 实 验 仪 器 . 142 .1 .3 实 验 所 需 溶 液 配 制 . 14诊金 属 氧 化 物 在 直 接 醇 类 燃 料 电池 中 的应 用 研 究2 .2 催 化 剂 的 制 备 .······················&

25、#183;············ 142 .2 .1 C e O 、纳 米 颗 粒 的 制 备 . 142 .2 .2 C e O 、纳 米 颗 粒 的 前 处 理 . 巧2 .2 .3 Pt 一C eo x/石 墨 电 极 的 制 备 和 电 化 学 性 能 研 究 . 巧2 .3 结 果 与 讨 论 . 巧2 .3 .I Pt 一c e o x/石 墨 电 极 (Pt :C eo x= 卜1)的 表 面 形 貌 和 元 素 组 成 分 析 . 巧2 .3 .2 Pt 一

26、C eo x/石 墨 电 极 对 甲 醇 电 催 化 氧 化 性 能 研 究 . 172 .3 .3 不 同 Pt :C eo x/配 比 对 Pt 一C eo x/石 墨 电 极 的 甲 醇 电 催 化 氧 化 活 性 的 影 响. 1 82 .3 .4 1一t 曲 线 研 究 .· 192 .3 .5 Pt 一C eo x/石 墨 电 极 ( Pt :C eo x= 1 :l) 稳 定 性 研 究 . 192 .4 小 结 . 2 0第 3 章 Pt 一M o o x/C N T 电 极 的 制 备 及 其 对 乙 醇 电 催 化 氧 化 性 能 研 究 . 213 .1 实 验

27、 部 分 . 2 23 .1.1 实 验 药 品 . 223 .1.2 实 验 仪 器 . 223 .1.3 Pt 一M o ox /C N T/ 石 墨 电 极 的 制 备 及 电 化 学 性 质 研 究 . 223 .2 结 果 与 讨 论 .·. 233 .2 .1 M o o x/C N T /石 墨 电 极 和 P t一M o o x/C N T./石 墨 电 极 的 形 貌 和 元 素 组 成 研 究 . 233 .2 .2乙 醇 电 催 化 氧 化 的 循 环 伏 安 法 研 究 . 2 43 .2 .3 M o O 、含 量 对 电 极 电 催 化 活 性 的 影 响

28、 . 253 .2 .4乙 醇 电 催 化 氧 化 的 活 化 能 . 2 63 .2 .5 循 环 伏 安 扫 描 速 度 和 乙 醇 浓 度 对 Pt 一M o o x/C N T/ 石 墨 电 极 上 乙 醇 电 催化 氧 化 的 影 响 .，.···· 283 .2 .6 Pt 一M o o x/C N T/ 石 墨 电 极 的 长 期 循 环 稳 定 性 考 察 . 293 .3 小 结 . 3 0第 4 章 Pt/M g o 一C e O Z一C N T 纳 米 催 化 剂 的 制 备 及 其 对 乙 醇 电 催 化 氧 化 性 能 研 究

29、.314 .1 实 验 部 分 . 3 24 .1.1 实 验 仪 器 及 药 品 .··········· 324 .1 .2 Pt /M g o 一C e O Z一C N Ts /石 墨 电 极 的 制 备 . 334 .1 .3 Pt/ M g o 一ce o Z一c N Ts /石 墨 电 极 表 面 形 貌 、 元 素 组 成 分 析 及 乙 醇 氧 化 电 催 化 性 能 测 试 .·······

30、3;··················· 344 .2 结 果 与 讨 论 .·· 3 44 .2 .1 电 极 的 表 面 形 貌 考 察 和 元 素 组 成 . 3 4争高 校 教 师 硕 士 学 位 论 文4 .2 .2电 极 电 催 化 氧 化 性 能 研 究 . 354 .2 .3乙 醇 浓 度 及 扫 速 速 度 与 乙 醇 氧 化 峰 电 流 密 度 的 关 系 . 37

31、4 .2 .4 Pt 与 M g o ， c e o : 的 浓 度 比 对 乙 醇 电 氧 化 催 化 性 能 的 影 响 . 394 .3 结 论 . 4 0结论 . 41参 考 文 献 . 4 2致谢 . 5 2 附 录 A攻 读 学 位 期 间 所 发 表 的 学 术 论 文 目 录 . 53砂高 校 教 师 硕 士 学 位 论 文第 1 章绪论燃 料 电 池 概 述能 源 是 发 展 国 民 经 济 的 基 础 ， 也 是 现 代 文 明 发 展 的 重 要 制 约 因 素 。 根 据 国 际 能 源 机 构 预 测 ， 随 着 人 类 物 质 文 明 的 发 展 、 社 会 的 进

32、 步 和 人 口 的 增 长 ， 导 致 了 对 能 源 消 耗 的 与 日 俱 增 ， 现 有 的 能 源 已 越 来 越 不 能 满 足 人 类 的 需 求 ， 全 世 界 能 耗 在 今 后 的 2 0 年 将 至 少 增 加 一 倍 。 以 现 有 的 资 源 储 量 ， 煤 、 石 油 和 天 然 气 这 三 大 能 源 即 将 消 耗 待 尽 。 而 燃 烧 大 量 的 传 统 能 源 的 同 时 也 会 释 放 大 量 的 污 染 物 质 ， 造 成 严 重 的 环 境 污 染 。 人 类 社 会 的 可 持 续 发 展 正 面 临 着 严 峻 的 考 验 ， 因 此 ， 发 展

33、 清 洁 、 高 效 、 无 害 的 可 持 续 发 展 的 新 能 源 动 力 技 术 已 成 为 十 分 紧 迫 的 任 务 。 燃 料 电 池 是一 种 高 效 、 环 境 友 好 的 新 型 绿 色 能 源 技 术 ”21， 它 不 受 卡 诺 循 环 的 限 制 而 直 接 将 储 存 在 燃 料 中 的 化 学 能 转 化 为 电 能 ， 对 解 决 目 前 世 界 面 临 的 能 源 短 缺 和 环 境 污 染 着两 大 难 题 具 有 重 要 的 跨 时 代 意 义 。被 认 为 是 21 世 纪 首 选 的 洁 净 、 高 效 的 发 电 技 术 而 倍 受 各 国 政 府

34、和 各 大 公 司 的 关 注 。1.2 燃 料 电 池 的 原 理 及 特 点燃 料 电 池 (F ue l c ell)是 以 氢 、 甲 醇 、 乙 醇 、 天 然 气 、 煤 气 等 可 燃 气 体 或 液 体 为 原 料 的 化 学 电 池 ， 是 一 种 在 等 温 状 态 下 直 接 将 化 学 能 转 变 为 直 流 电 能 的 电 化 学 装 置 ， 它 不 同 于 普 通 的 二 次 电 池 ， 其 工 作 过 程 是 燃 料 和 氧 化 剂 分 别 在 两 极 上 发 生 电 化 学 反 应 ， 由 电 解 质 和 外 电 路 构 成 回 路 ， 从 而 将 化 学 能

35、直 接 转 化 为 电 能 。 广 义 上 讲 ， 燃 料 电 池 是 一 种 完 整 的 发 电 系 统 ， 可 以 包 括 燃 料 处 理 或 重 整 系 统 、 直 流 输 出 的 电 流 、 电 压 调 节 系 统 、 热 交 换 系 统 、 安 全 控 制 及 其 它 装 置 。 我 们 所 说 的 燃 料 电 池 ， 通 常 是 指 一 个 单 电 池 或 独 立 发 电 的 电 池 堆 3-4。与 传 统 的 发 电 方 式 相 比 ， 燃 料 电 池 具 有 许 多 不 可 比 拟 的 特 点 和 优 势 : ( l)能 量 转 化 效 率 高燃 料 电 池 发 电 是 一 个

36、 化 学 过 程 ， 由 于 无 需 燃 烧 ， 其 能 量 转 化 效 率 摆 脱 了 卡 诺循 环 (C arn ot C yc le)的 热 机 效 率 限 制 ， 理 论 上 能 量 的 转 换 率 可 以 达 到 9 0 % 以 上 ， 目 前 由 于 电 池 内 欧 姆 极 化 的 存 在 、 阴 阳 极 电 化 学 极 化 、 浓 差 极 化 以 及 热 量 损 失 等 因 素 ， 燃 料 电 池 的 实 际 效 率 可 达 到 4 0 一6 0 % ， 远 高 于 热 力 发 电 的 热 电 转 化 率 和 各 种 发 动 机 的 能 量 利 用 率 (例 如 ， 汽 车 发

37、动 机 的 效 率 约 为 18% )。( 2 ) 环 境 友 好燃 料 电 池 的 理 想 运 行 方 式 是 利 用 太 阳 能 或 核 能 电 解 水 ， 把 电 解 产 物 分 别 作 为金 属 氧 化 物 在 直 接 醇 类 燃 料 电池 中 的 应 用 研 究燃 料 和 氧 化 进 行 发 电 ，发 电 的 产 物 仍 然 是 水 ，没 有 污 染 物 ( 5 0 2、N O 、等 有 毒 气 体 ) 的 排 放 ， 对 环 境 基 本 可 以 实 现 零 污 染 。 由 于 是 电 化 学 过 程 没 有 锅 炉 、 热 机 等 机 械 转 动 部 分 ， 操 作 过 程 不 产

38、 生 机 械 振 动 也 无 噪 音 污 染 。( 3 ) 可 靠 性 高燃 料 电 池 发 电 装 置 由 单 个 电 池 堆 叠 至 所 需 规 模 的 电 池 组 构 成 ，维 修 十 分 方 便 。 无 论 处 于 额 定 功 率 以 上 过 载 运 行 或 低 于 额 定 功 率 运 行 ， 燃 料 电 池 均 能 承 受 且 自身 效 率 变 化 不 大 。 当 燃 料 电 池 的 负 载 有 所 变 动 时 ， 它 的 响 应 速 度 也 很 快 。 这 种 优 良 的 性 能 使 燃 料 电 池 在 用 电 高 峰 时 可 作 为 储 能 电 池 使 用 ， 使 电 力 系 统

39、 的 总 效 率 得 以 提 高 。(4 ) 比 能 量 或 比 功 率 较 高燃 料 电 池 单 位 质 量 或 单 位 体 积 的 发 电 功 率 大 。 这 主 要 是 由 于 燃 料 电 池 在 外 部 供 给 反 应 物 质 ， 体 内 并 不 存 储 ， 相 对 而 言 可 以 节 省 材 料 ， 使 装 置 变 轻 ， 结 构 紧 密 ， 占 用 空 间 减 小 。( 5 ) 燃 料 多 样 化燃 料 电 池 的 燃 料 来 源 广 泛 ， 氢 气 是 研 究 初 期 最 常 用 的 燃 料 ， 但 由 于 储 存 和 运 输 等 安 全 性 问 题 ，人 民 己 开 始 采 用

40、 有 机 小 分 子 作 为 燃 料 电 池 的 燃 料 ，如 甲 醇 f、 乙 醇 、 甲 酸 、 天 然 气 、 二 甲 醚 等 。 甚 至 如 废 木 、 废 纸 、 城 市 垃 圾 等 也 可 以 经 过 重 整 后 作 为 燃 料 电 池 的 燃 料 使 用 。( 6 ) 用 途 广 泛燃 料 电 池 可 以 做 成 具 有 一 定 发 电 性 能 的 模 块 式 标 准 组 件 ， 供 应 时 可 按 用 户 要 求 ， 组 装 成 不 同 形 式 、 不 同 功 率 输 出 的 发 电 装 置 ， 小 到 一 家 一 户 的 供 电 取 暖 、 大 到 分 布 式 电 站 ， 与 外 电 网 并 网 发 电 。.3燃 料 电 池 的 类 型 以 及 主 要 用 途3 .1 燃 料 电 池 的 类 型燃 料 电 池 可 依 据 其