螺旋碳纳米纤维PdNi复合材料应用于乙醇的催化氧化
螺旋碳纳米纤维PdNi复合材料应用于乙醇的催化氧化[20200412223149]
螺旋碳纳米纤维-PdNi复合材料应用于乙醇的催化氧化 摘要
直接乙醇燃料电池的关键步骤是寻找一种高效的催化剂在温和的条件下使乙醇发生催化氧化，本实验研究的课题是直接乙醇燃料电池的阳极方向的研究，阳极催化剂的制备是使用化学还原法使钯镍纳米粒子附载在碳纳米材料上。我们就不同比例的钯镍合金以及碳纳米材料的选择对催化性能的影响作了具体的研究。实验内容及结果如下：
1.以碳纳米纤维作为支撑材料，通过化学还原法以硼氢化钾为还原剂使钯、镍离子还原成钯、镍纳米粒子负载在材料上，制成不同成分的Pd-Ni/HCNFs催化剂。
2.通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等表征手段对制成的催化剂的形貌和结构进行了表征，结果显示钯、镍纳米粒子在碳纳米纤维上的附载情况良好。
3.在碱性的乙醇溶液中对合成的催化剂进行了一系列的电化学表征，具体包括线性循环伏安法、计时电流法、线性扫描伏安法。结果显示当Pd/Ni原子比为1:1时，乙醇的催化电流达到了最大值，催化剂表现出最强的催化活性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:乙醇燃料电池碳纳米纤维钯镍纳米粒子乙醇催化氧化
Keyword:Ethanol Fuel Cells;Carbon nanofibers;PalladiumNickel nanoparticles; Ethanol oxidation 目录
1绪论 1
1.1乙醇燃料电池的简介 1
1.1.1乙醇燃料电池的发展现状 1
1.1.2乙醇燃料电池的优势 2
1.2燃料电池阳极金属纳米粒子催化剂的简介 2
1.2.1单金属Pt催化剂的简介 2
1.2.2单金属Pd催化剂的简介 3
1.2.3二元金属Pd/Ni催化剂的简介及其优势 3
1.3支撑材料的简介 3
1.3.1炭黑的简介 4
1.3.2碳纳米材料的简介 4
1.4本课题研究的意义 5
2.实验材料与实验方法 6
2.1实验药品 6
2.2实验仪器 7
2.3材料表征方法 7
2.3.1 X射线粉末衍射仪（XRD） 7
2.3.2扫描电子显微镜（SEM） 8
2.4电化学试验方法 8
2.4.1线性循环伏安法 8
2.4.2计时电流法 8
2.4.3线性扫描伏安法 8
3.实验过程与结果分析 9
3.1Pd-Ni/HCNFs等电极的制备 9
3.1.1Pd-Ni/HCNFs的制备 9
3.1.2 Pd-Ni/C催化剂电极的制备 10
3.2材料的表征和电化学测试 10
3.2.1材料的表征 10
3.2.2电化学测试 10
3.3材料表征结果 10
3.3.1HCNFs、Pd/HCNFs、Pd-Ni/HCNFs的XRD图及分析 10
3.3.2 Pd-Ni/HCNFs的SEM图及分析 12
3.4电化学测试结果 13
3.4.1 Pd2+、Ni2+的自还原能力 13
3.4.2 不同成分的Pd-Ni/HCNFs催化剂的性能对比 15
3.4.3 Pd-Ni/HCNFs和Pd-Ni/C催化剂的性能对比 19
3.4.4 Pd、Ni摩尔比为1:1的Pd-Ni/HCNFs催化剂不同扫速下的循环伏安对比 22
4.结论 23
5.参考文献 24
致谢 25
1绪论
1.1乙醇燃料电池的简介
1.1.1乙醇燃料电池的发展现状
直接乙醇燃料电池（DEFC）是最近几年新开发的一类新型燃料电池[1]，就是乙醇，具有绿色无污染并且可再生的性质，正逐步得到人们的青睐。它的机理是使乙醇溶液在催化剂的作用下分解，过程中产生的电子在电动势的作用下，与外电路连接形成回路，产生电流。应用前景也十分广阔，可以作为笔记本和移动电话的移动电源，代替传统的铅蓄电池。
目前，实验室里乙醇燃料电池分为两大类：
一、碱性乙醇燃料电池，KOH作电解质，具体反应方程式为：
总反应：C2H5OH + 3O2 + 4KOH = K2CO3 + 5H2O
负极：C2H5OH + 16OH- - 12e- = 2CO32- + 11H2O
正极：O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-；
二、酸性乙醇燃料电池，稀硫酸作为电解质，具体反应方程式：
总反应：C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O
正:O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
负:C2H6O + 3H2O - 12e- = 2CO2 + 12H+
我们发现，在碱性乙醇燃料电池中会持续的消耗OH-，因此碱性不断的下降，进而使得电池无法正常运转。同样在酸性燃料电池中会持续产生H+，也会使得电池无法正常运转。这也正是目前乙醇燃料电池制作工艺的难点之一，解决问题的思路很明确，具体有三种：一、用纯的O2或者现制的O2；二、对碱性溶液进行更新；三、不使用时，阻断空气，延长使用的时间。但这些方法具体实施起来会造成很大的不便，有待进一步的改善。
除此之外，乙醇燃料电池具体反映机理较为复杂，中间产物多，容易引起催化剂中毒。目前世界上有关直接乙醇燃料电池的研究大多还处于机理阶段[2]，因此对催化剂的选择比较苛刻。贵金属Pt在酸性环境下对乙醇的催化效率高，然而Pt的资源有限，不可能大批量的投入生产使用。寻求相对廉价且催化活性高催化剂来成为了科学家们致力研究的方向。
1.1.2乙醇燃料电池的优势
随着社会的发展，人们对能源的需求逐步扩大。然而，传统的三大能源包括煤炭、石油、天然气都具有不可再生的特点，尤其是前两者在使用时会产生污染环境的“三废”。因此，一种环境友好型且具有可再生性的能源势必要逐渐取代这些传统的化石能源。乙醇作为同时符合这两个标准的新型能源，目前人们对它的使用只要分为两个方向：1.像汽油一样在内燃机内燃烧，但其热值要远远低于汽油，所以无法成为汽油的替代品，最常见的应用是实验室里的酒精灯；2.作为低温燃料电池的燃料，直接将化学能转化为电能。
首先我们来了解一下，碱性乙醇燃料电池的优势：
1.易储存，无污染：与以氢气、甲烷等气体燃料电池的燃料相比，乙醇是液体的，容易运输及储存；与传统的汽油柴油相比，它燃烧时不会产生危害环境的有毒气体，是标准的绿色燃料。
2.工业上制备乙醇燃料的工艺相当完善，比如煤炭和水在一定条件下可制成乙醇，或可以通过农作物的秸秆、粮食等发酵得到。
3.乙醇，俗称酒精，基本无毒，挥发时伴有特殊香味；即使泄漏也不会对人类和环境造成很大的污染，很容易被发现。
4.对直接乙醇燃料电池的初步探索是基于直接甲醇燃料电池发展的基础之上的[3]，乙醇相对于甲醇来说氢含量高、毒性低。在一定条件下，乙醇与甲醇的电化学活性十分相似，乙醇燃料电池一旦开发成功，完全可以在原有的设备基础上代替甲醇的使用，对保护环境和节约资源有着巨大的潜力。
1.2燃料电池阳极金属纳米粒子催化剂的简介
1.2.1单金属Pt催化剂的简介
目前为止，Pt作为燃料电池的催化剂主要有两个方面的优势：1.催化效率高；2.稳定性好。但是，Pt在地壳中的资源非常有限且成本较高且大量被用于其他用途，因此，想要使用Pt制成催化剂催化燃料电池投入工业规模的使用几乎是不可能。在质子燃料电池中，纯Pt催化剂不仅难以满足阴极氧电催化还原和阳极小分子电催化氧化的活性要求，也不能有效脱除重整气中的CO而易被毒化[4]。当Pt作为催化材料使用时，燃料发生氧化时生成的中间产物会牢牢的粘在催化剂的表面，很大程度上抑制了其活性，进而会大大降低催化剂的活性，也就是所谓的催化剂中毒。
螺旋碳纳米纤维-PdNi复合材料应用于乙醇的催化氧化 摘要
直接乙醇燃料电池的关键步骤是寻找一种高效的催化剂在温和的条件下使乙醇发生催化氧化，本实验研究的课题是直接乙醇燃料电池的阳极方向的研究，阳极催化剂的制备是使用化学还原法使钯镍纳米粒子附载在碳纳米材料上。我们就不同比例的钯镍合金以及碳纳米材料的选择对催化性能的影响作了具体的研究。实验内容及结果如下：
1.以碳纳米纤维作为支撑材料，通过化学还原法以硼氢化钾为还原剂使钯、镍离子还原成钯、镍纳米粒子负载在材料上，制成不同成分的Pd-Ni/HCNFs催化剂。
2.通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等表征手段对制成的催化剂的形貌和结构进行了表征，结果显示钯、镍纳米粒子在碳纳米纤维上的附载情况良好。
3.在碱性的乙醇溶液中对合成的催化剂进行了一系列的电化学表征，具体包括线性循环伏安法、计时电流法、线性扫描伏安法。结果显示当Pd/Ni原子比为1:1时，乙醇的催化电流达到了最大值，催化剂表现出最强的催化活性。
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关键字:乙醇燃料电池碳纳米纤维钯镍纳米粒子乙醇催化氧化
Keyword:Ethanol Fuel Cells;Carbon nanofibers;PalladiumNickel nanoparticles; Ethanol oxidation 目录
1绪论 1
1.1乙醇燃料电池的简介 1
1.1.1乙醇燃料电池的发展现状 1
1.1.2乙醇燃料电池的优势 2
1.2燃料电池阳极金属纳米粒子催化剂的简介 2
1.2.1单金属Pt催化剂的简介 2
1.2.2单金属Pd催化剂的简介 3
1.2.3二元金属Pd/Ni催化剂的简介及其优势 3
1.3支撑材料的简介 3
1.3.1炭黑的简介 4
1.3.2碳纳米材料的简介 4
1.4本课题研究的意义 5
2.实验材料与实验方法 6
2.1实验药品 6
2.2实验仪器 7
2.3材料表征方法 7
2.3.1 X射线粉末衍射仪（XRD） 7
2.3.2扫描电子显微镜（SEM） 8
2.4电化学试验方法 8
2.4.1线性循环伏安法 8
2.4.2计时电流法 8
2.4.3线性扫描伏安法 8
3.实验过程与结果分析 9
3.1Pd-Ni/HCNFs等电极的制备 9
3.1.1Pd-Ni/HCNFs的制备 9
3.1.2 Pd-Ni/C催化剂电极的制备 10
3.2材料的表征和电化学测试 10
3.2.1材料的表征 10
3.2.2电化学测试 10
3.3材料表征结果 10
3.3.1HCNFs、Pd/HCNFs、Pd-Ni/HCNFs的XRD图及分析 10
3.3.2 Pd-Ni/HCNFs的SEM图及分析 12
3.4电化学测试结果 13
3.4.1 Pd2+、Ni2+的自还原能力 13
3.4.2 不同成分的Pd-Ni/HCNFs催化剂的性能对比 15
3.4.3 Pd-Ni/HCNFs和Pd-Ni/C催化剂的性能对比 19
3.4.4 Pd、Ni摩尔比为1:1的Pd-Ni/HCNFs催化剂不同扫速下的循环伏安对比 22
4.结论 23
5.参考文献 24
致谢 25
1绪论
1.1乙醇燃料电池的简介
1.1.1乙醇燃料电池的发展现状
直接乙醇燃料电池（DEFC）是最近几年新开发的一类新型燃料电池[1]，就是乙醇，具有绿色无污染并且可再生的性质，正逐步得到人们的青睐。它的机理是使乙醇溶液在催化剂的作用下分解，过程中产生的电子在电动势的作用下，与外电路连接形成回路，产生电流。应用前景也十分广阔，可以作为笔记本和移动电话的移动电源，代替传统的铅蓄电池。
目前，实验室里乙醇燃料电池分为两大类：
一、碱性乙醇燃料电池，KOH作电解质，具体反应方程式为：
总反应：C2H5OH + 3O2 + 4KOH = K2CO3 + 5H2O
负极：C2H5OH + 16OH- - 12e- = 2CO32- + 11H2O
正极：O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-；
二、酸性乙醇燃料电池，稀硫酸作为电解质，具体反应方程式：
总反应：C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O
正:O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
负:C2H6O + 3H2O - 12e- = 2CO2 + 12H+
我们发现，在碱性乙醇燃料电池中会持续的消耗OH-，因此碱性不断的下降，进而使得电池无法正常运转。同样在酸性燃料电池中会持续产生H+，也会使得电池无法正常运转。这也正是目前乙醇燃料电池制作工艺的难点之一，解决问题的思路很明确，具体有三种：一、用纯的O2或者现制的O2；二、对碱性溶液进行更新；三、不使用时，阻断空气，延长使用的时间。但这些方法具体实施起来会造成很大的不便，有待进一步的改善。
除此之外，乙醇燃料电池具体反映机理较为复杂，中间产物多，容易引起催化剂中毒。目前世界上有关直接乙醇燃料电池的研究大多还处于机理阶段[2]，因此对催化剂的选择比较苛刻。贵金属Pt在酸性环境下对乙醇的催化效率高，然而Pt的资源有限，不可能大批量的投入生产使用。寻求相对廉价且催化活性高催化剂来成为了科学家们致力研究的方向。
1.1.2乙醇燃料电池的优势
随着社会的发展，人们对能源的需求逐步扩大。然而，传统的三大能源包括煤炭、石油、天然气都具有不可再生的特点，尤其是前两者在使用时会产生污染环境的“三废”。因此，一种环境友好型且具有可再生性的能源势必要逐渐取代这些传统的化石能源。乙醇作为同时符合这两个标准的新型能源，目前人们对它的使用只要分为两个方向：1.像汽油一样在内燃机内燃烧，但其热值要远远低于汽油，所以无法成为汽油的替代品，最常见的应用是实验室里的酒精灯；2.作为低温燃料电池的燃料，直接将化学能转化为电能。
首先我们来了解一下，碱性乙醇燃料
1.易储存，无污染：与以氢气、甲烷等气体燃料
2.工业上制备乙醇燃料的工艺相当完善，比如煤炭和水在一定条件下可制成乙醇，或可以通过农作物的秸秆、粮食等发酵得到。
3.乙醇，俗称酒精，基本无毒，挥发时伴有特殊香味；即使泄漏也不会对人类和环境造成很大的污染，很容易被发现。
4.对直接乙醇燃料电池的初步探索是基于直接甲醇燃料电池发展的基础之上的[3]，乙醇相对于甲醇来说氢含量高、毒性低。在一定条件下，乙醇与甲醇的电化学活性十分相似，乙醇燃料电池一旦开发成功，完全可以在原有的设备基础上代替甲醇的使用，对保护环境和节约资源有着巨大的潜力。
1.2燃料电池阳极金属纳米粒子催化剂的简介
1.2.1单金属Pt催化剂的简介
目前为止，Pt作为燃料电池的催化剂主要有两个方面的优势：1.催化效率高；2.稳定性好。但是，Pt在地壳中的资源非常有限且成本较高且大量被用于其他用途，因此，想要使用Pt制成催化剂催化燃料电池投入工业规模的使用几乎是不可能。在质子燃料电池中，纯Pt催化剂不仅难以满足阴极氧电催化还原和阳极小分子电催化氧化的活性要求，也不能有效脱除重整气中的CO而易被毒化[4]。当Pt作为催化材料使用时，燃料发生氧化时生成的中间产物会牢牢的粘在催化剂的表面，很大程度上抑制了其活性，进而会大大降低催化剂的活性，也就是所谓的催化剂中毒。
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