炭载Pd-Fe阴极催化剂制备方法及其电催化性能的研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有很多优点，但也存在一些问题。问题之一是甲醇会透过Nafion膜而在常用的Pt阴极上氧化，降低了电池的性能。近年来发现，Pd对氧还原的电催化性能仅次于Pt，而且对甲醇氧化没有电催化活性，因此，近年来，许多研究都集中在DMFC Pd基复合阴极催化剂方面，以得到对氧还原有好的电催化性能和好的抗甲醇能力的DMFC阴极催化剂。
　　 本论文主要研究DMFC中Pd-Fe/C阴极催化剂制备方法对催化剂性能的影响。得到的主要结果如下：
　　 1. 一般的液相还原法制备Pd-Fe/C催化剂时，由于PdCl2和FeCl3的还原电位相差较大，Pd和Fe不易形成合金。因此，以前的研究都是通过高温热处理的方法制备得到合金化的Pd-Fe/C催化剂。但得到的Pd-Fe粒子的平均粒径较大，影响了Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化活性。本论文研究了在低温下用NH4Cl作络合剂的络合还原法来制备的Pd-Fe/C催化剂，发现由于NH4Cl能与Pd形成络合物而使PdCl2还原电位负移，与FeCl3的还原电位接近，从而在低温下制备得到了有一定合金化程度的Pd-Fe/C催化剂。得到的Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化活性比用相同方法制得的Pd/C催化剂高，而且该催化剂对甲醇氧化没有电催化活性。因此，用这种方法在低温下能够制备出对氧还原有高催化活性和好的抗甲醇能力Pd-Fe/C催化剂。
　　 2. 研究了在水和四氢呋喃(THF)混合体系中制备Pd-Fe/C催化剂。发现制得的Pd-Fe/C催化剂中存在着两种形态的Fe：合金态的Fe与非合金态的Fe。非合金态的Fe能够溶解于H2SO4溶液中，而合金态的Fe不能够被酸溶解，因此，通过酸处理能制得只含合金态Fe的Pd-Fe/C催化剂。由于酸处理前后的Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化活性都比Pd/C催化剂高，表明Fe能够提高Pd/C催化剂对氧还原的电催化性能。而酸处理后的Pd-Fe/C催化剂对氧还原电催化性能要比酸处理前的Pd-Fe/C催化剂高，证明了合金态的Fe能够提高Pd/C催化剂对氧还原的电催化性能。这主要是由于合金态的Fe能增加Pd的电子云密度，使催化剂中Pd0的含量增加，因此，提高了Pd催化剂对氧还原的电催化性能。
　　 3. 首次研究了用有机盐热分解法制备Pd-Fe/C催化剂，发现热分解温度对Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化性能有较大的影响，在300oC的分解温度下，制得的Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化性能最好。这是由于当温度较低时，有机盐不能完全分解；而热处理温度较高时，Pd-Fe粒子的平均粒径较大，因此，对氧还原的电催化性能降低。
　　 进一步研究了Pd：Fe原子比对Pd-Fe/C催化剂对氧还原电催化性能的影响。发现当Pd和Fe的原子比为1：1时，Pd-Fe/C催化剂对氧还原的电催化活性最好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 低温下用络合还原法合成Pd-Fe/C 阴极催化剂

第三章 Fe 的形态对Pd-Fe/C 催化剂对氧还原电催化活性的影响

第四章 不同热分解温度的Pd-Fe/C 催化剂对氧还原性能的影响

第五章 不同比例Pd-Fe/C 催化剂对氧还原电催化性能的研究

主要研究成果

致谢