静电纺丝法制备tio2sio2ptpan碳纤维及其电化学性能【字数：12982】
本实验采用静电纺丝法制备TiO2-SiO2碳纤维，并进行250℃预氧化和800℃碳化。再将Pt用浸渍法在TiO2-SiO2-C纤维加入氯铂酸溶液，超声至完全混合，烘干后碳化得到Pt/TiO2-SiO2-C纤维。将得到的Pt/TiO2-SiO2-C纤维进行物相表征，如XRD、SEM和BET。将Pt/TiO2-SiO2-C纤维处理之后得到悬浮液，再在不同浓度的电解液中进行循环伏安、计时电流、交流阻抗电化学测试。从测试结果可以看出，碳纤维的尺寸都较小，在200nm左右。Pt比例为0.6的Pt/TiO2-SiO2-C纤维结晶性更好，Pt粒径越大。Pt比例为0.4的 Pt/TiO2-SiO2-C纤维阳极催化剂催化活性最好，其在浓度为0.5mol/L硫酸-1.5mol/L乙醇的电解液中电化学活性最高，抗中毒性最好。
目录
第一章 前言 1
1.1能源消耗与现状 1
1.2铂基催化剂在电催化中的研究发展 2
1.2.1单组分Pt催化剂 2
1.2.2铂基合金催化剂 5
1.3直接乙醇燃料电池阳极催化剂的制备 6
1.3.1静电纺丝法 6
1.3.2浸渍法 7
1.4 本实验研究的目的和内容 7
第二章 实验材料及测试方法 8
2.1实验试剂 8
2.2实验仪器 8
2.3实验部分 9
2.3.1催化剂的表征 9
2.3.2电化学表征 10
2.3.3电化学测试 11
第三章 结果与讨论 12
3.1.Pt/TiO2SiO2C纤维催化剂的XRD图 12
3.2.Pt/TiO2SiO2C催化剂的扫描电镜图 13
3.3.Pt/TiO2SiO2C催化剂的BET图 14
3.4.Pt/TiO2SiO2C催化剂的循环伏安图 15
3.5.Pt/TiO2SiO2C催化剂的交流阻抗图 17
3.6.Pt/TiO2SiO2C催化剂的计时电流图 20
第四章 结论 23
参考文献 24
致谢 26
第一章 前言 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.1能源消耗与现状
在本世纪初，世界能源消耗为120亿吨石油当量(TOE)，87%来自化石燃料(石油占33.7%，天然气占23.6%，煤炭占29.7%)[1]，它们是不可再生的，增加了大气中的二氧化碳含量，是全球变暖的主要人为原因。核能和水电几乎占12%，而可再生能源占全球能源需求的1.3%。当然，有些国家的能源结构对化石燃料的依赖程度要低得多，比如法国拥有80%以上的核能，巴西拥有35%的水力发电。
研究表明，接近40%的燃料资源用于发电，而工业和交通需求分别约为30%和20%[1,2]。对未来几十年能源需求的预测是一个关系到石油相关产业、政府和能源规划者的课题[24]。英国到2030年的石油预测[2]，其中能源需求的增长基本上受人口增长和主要的国内生产总值(GDP)的影响。到2030年，将有13亿人需要能源；预计世界收入将比2011年翻一番。
矿物燃料价格在过去十年中以实际价值计算上升到创纪录的水平，这不可避免地导致对供应的反应，需要在一系列能源中开发和部署新技术。因此，“页岩革命”首先是天然气，然后是石油，将占到2030年全球能源供应增长的近五分之一[2]。同时，化石燃料的高价格也将支持生物质可再生能源供应的扩大，占到2030年全球能源供应增长的17%。水电和核电将共同增长17％。然而，传统的化石燃料供应仍然需要满足不断扩大的能源需求，提供了2030年前几乎一半的能源供应增长。值得指出的是，如果这些预测没有考虑到能源强度的下降(每u消耗的能源量)，那么能源需求将增加近三倍(占国内生产总值的比率)。
到2050年[3]的预测显示，2030年以后石油和天然气的使用会减少，由煤炭、生物质和可再生能源的大量贡献弥补。预计到2050年，全球煤炭工业规模将是2000年的两倍半。但是，未来几十年，美国、中国和印度的煤炭集约使用可能会受到环境压力团体的限制。中国是世界上煤炭的主要消费国，因此也是二氧化碳的主要排放源。
随着需求增长，越来越多地使用生物燃料并非没有问题。第一代生物燃料与粮食生产的竞争，推高了世界市场价格，特别是在以玉米为主食的国家。发达国家对生物燃料的需求间接鼓励了较贫穷的国家摧毁大片的雨林，以种植棕榈油和甘蔗。此外，使用生物燃料对环境的潜在好处也得到了补偿，因为这些土地利用产生了大量储存在土壤中的二氧化碳，以及额外的N2O物质。作为NOx的来源，N2O在平流层臭氧化学中起着重要作用(温室效应是CO2的296倍)。Crutzen等人[3]已经得出结论认为，使用氮肥种植用于生产生物燃料的作物可能会加剧已经存在的控制全球变暖的巨大挑战。
第二代生物燃料是从植物的木本部分生产的，包括秸秆和用于粮食生产的植物叶片等废物，可以帮助部分避免使用生物燃料。上述问题，据估计，这第二代生物燃料的贡献将超过2030年以后的第一代生物燃料[3]。
现如今全世界对于能源的需求越来越大，并且环境问题也成为人们最关注的的问题之一。之前人们关注的以氢和甲醇为燃料的燃料电池，因为储存和运输等一系列安全问题，使人们开始寻找新的燃料来作为燃料电池。乙醇是一种理想的可用于燃料电池的燃料。开发直接乙醇燃料电池（DEFC）对解决能源短缺和环境保护具有重要意义。在小型独立电源、国防通讯、摄像机和笔记本电脑电源等领域具有广阔的应用前景。
1.2铂基催化剂在电催化中的研究发展
燃料电池在氢气和氧气的作用下，从阳极的氢氧化反应和阴极的氧化还原（ORR）反应中产生电能。由于它的唯一产品是水，燃料电池被认为是环保的。利用太阳能分解水产生的氢和空气中的氧气，它也是一种化学电能转换的可再生解决方案。这导致了燃料电池的广泛应用，包括固定动力系统、移动电子设备和车辆[5]。然而，铂(Pt)作为电化学反应的催化剂，限制了燃料电池的大规模应用[6]。氧化还原的迟滞动力学在阴极上具有很高的过电位，通常在Pt催化剂上有几百毫伏，因此在实际应用中需要大量的Pt。为了降低系统成本，需要对催化剂的性能进行大幅度的改进，以减少Pt的使用。人们预计，要使燃料电池在运输中商业化，需要比现有的最先进的Pt/C催化剂提高5倍的氧化还原活性。
为了提高铂电催化剂的性能，人们提出了各种方法，包括Pt粒径和形状的优化，合金化Pt与3d过渡金属和复合纳米结构的发展。在这些方法中，催化剂表面保持为Pt，因为在PEMFC条件下，Pt很可能是唯一既有活性又稳定的元素。因此，铂以外的高级电催化剂的设计通常要经过亚表面纳米结构的操纵，以诱导修饰表面几何形状或电子结构，从而改变Pt的表面吸附和催化性能。
1.2.1单组分Pt催化剂
尽管研究工作的重点放在合金和复合纳米结构上，但目前燃料电池中使用的大多数催化剂仍然是支撑在高表面积碳上的单组分Pt颗粒。Pt/C催化剂已被广泛研究了半个多世纪，Pt在氧化还原中的催化活性与颗粒大小和形状有关[5]。
目录
第一章 前言 1
1.1能源消耗与现状 1
1.2铂基催化剂在电催化中的研究发展 2
1.2.1单组分Pt催化剂 2
1.2.2铂基合金催化剂 5
1.3直接乙醇燃料电池阳极催化剂的制备 6
1.3.1静电纺丝法 6
1.3.2浸渍法 7
1.4 本实验研究的目的和内容 7
第二章 实验材料及测试方法 8
2.1实验试剂 8
2.2实验仪器 8
2.3实验部分 9
2.3.1催化剂的表征 9
2.3.2电化学表征 10
2.3.3电化学测试 11
第三章 结果与讨论 12
3.1.Pt/TiO2SiO2C纤维催化剂的XRD图 12
3.2.Pt/TiO2SiO2C催化剂的扫描电镜图 13
3.3.Pt/TiO2SiO2C催化剂的BET图 14
3.4.Pt/TiO2SiO2C催化剂的循环伏安图 15
3.5.Pt/TiO2SiO2C催化剂的交流阻抗图 17
3.6.Pt/TiO2SiO2C催化剂的计时电流图 20
第四章 结论 23
参考文献 24
致谢 26
第一章 前言 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.1能源消耗与现状
在本世纪初，世界能源消耗为120亿吨石油当量(TOE)，87%来自化石燃料(石油占33.7%，天然气占23.6%，煤炭占29.7%)[1]，它们是不可再生的，增加了大气中的二氧化碳含量，是全球变暖的主要人为原因。核能和水电几乎占12%，而可再生能源占全球能源需求的1.3%。当然，有些国家的能源结构对化石燃料的依赖程度要低得多，比如法国拥有80%以上的核能，巴西拥有35%的水力发电。
研究表明，接近40%的燃料资源用于发电，而工业和交通需求分别约为30%和20%[1,2]。对未来几十年能源需求的预测是一个关系到石油相关产业、政府和能源规划者的课题[24]。英国到2030年的石油预测[2]，其中能源需求的增长基本上受人口增长和主要的国内生产总值(GDP)的影响。到2030年，将有13亿人需要能源；预计世界收入将比2011年翻一番。
矿物燃料价格在过去十年中以实际价值计算上升到创纪录的水平，这不可避免地导致对供应的反应，需要在一系列能源中开发和部署新技术。因此，“页岩革命”首先是天然气，然后是石油，将占到2030年全球能源供应增长的近五分之一[2]。同时，化石燃料的高价格也将支持生物质可再生能源供应的扩大，占到2030年全球能源供应增长的17%。水电和核电将共同增长17％。然而，传统的化石燃料供应仍然需要满足不断扩大的能源需求，提供了2030年前几乎一半的能源供应增长。值得指出的是，如果这些预测没有考虑到能源强度的下降(每u消耗的能源量)，那么能源需求将增加近三倍(占国内生产总值的比率)。
到2050年[3]的预测显示，2030年以后石油和天然气的使用会减少，由煤炭、生物质和可再生能源的大量贡献弥补。预计到2050年，全球煤炭工业规模将是2000年的两倍半。但是，未来几十年，美国、中国和印度的煤炭集约使用可能会受到环境压力团体的限制。中国是世界上煤炭的主要消费国，因此也是二氧化碳的主要排放源。
随着需求增长，越来越多地使用生物燃料并非没有问题。第一代生物燃料与粮食生产的竞争，推高了世界市场价格，特别是在以玉米为主食的国家。发达国家对生物燃料的需求间接鼓励了较贫穷的国家摧毁大片的雨林，以种植棕榈油和甘蔗。此外，使用生物燃料对环境的潜在好处也得到了补偿，因为这些土地利用产生了大量储存在土壤中的二氧化碳，以及额外的N2O物质。作为NOx的来源，N2O在平流层臭氧化学中起着重要作用(温室效应是CO2的296倍)。Crutzen等人[3]已经得出结论认为，使用氮肥种植用于生产生物燃料的作物可能会加剧已经存在的控制全球变暖的巨大挑战。
第二代生物燃料是从植物的木本部分生产的，包括秸秆和用于粮食生产的植物叶片等废物，可以帮助部分避免使用生物燃料。上述问题，据估计，这第二代生物燃料的贡献将超过2030年以后的第一代生物燃料[3]。
现如今全世界对于能源的需求越来越大，并且环境问题也成为人们最关注的的问题之一。之前人们关注的以氢和甲醇为燃料的燃料电池，因为储存和运输等一系列安全问题，使人们开始寻找新的燃料来作为燃料电池。乙醇是一种理想的可用于燃料电池的燃料。开发直接乙醇燃料电池（DEFC）对解决能源短缺和环境保护具有重要意义。在小型独立电源、国防通讯、摄像机和笔记本电脑电源等领域具有广阔的应用前景。
1.2铂基催化剂在电催化中的研究发展
燃料电池在氢气和氧气的作用下，从阳极的氢氧化反应和阴极的氧化还原（ORR）反应中产生电能。由于它的唯一产品是水，燃料电池被认为是环保的。利用太阳能分解水产生的氢和空气中的氧气，它也是一种化学电能转换的可再生解决方案。这导致了燃料电池的广泛应用，包括固定动力系统、移动电子设备和车辆[5]。然而，铂(Pt)作为电化学反应的催化剂，限制了燃料电池的大规模应用[6]。氧化还原的迟滞动力学在阴极上具有很高的过电位，通常在Pt催化剂上有几百毫伏，因此在实际应用中需要大量的Pt。为了降低系统成本，需要对催化剂的性能进行大幅度的改进，以减少Pt的使用。人们预计，要使燃料电池在运输中商业化，需要比现有的最先进的Pt/C催化剂提高5倍的氧化还原活性。
为了提高铂电催化剂的性能，人们提出了各种方法，包括Pt粒径和形状的优化，合金化Pt与3d过渡金属和复合纳米结构的发展。在这些方法中，催化剂表面保持为Pt，因为在PEMFC条件下，Pt很可能是唯一既有活性又稳定的元素。因此，铂以外的高级电催化剂的设计通常要经过亚表面纳米结构的操纵，以诱导修饰表面几何形状或电子结构，从而改变Pt的表面吸附和催化性能。
1.2.1单组分Pt催化剂
尽管研究工作的重点放在合金和复合纳米结构上，但目前燃料电池中使用的大多数催化剂仍然是支撑在高表面积碳上的单组分Pt颗粒。Pt/C催化剂已被广泛研究了半个多世纪，Pt在氧化还原中的催化活性与颗粒大小和形状有关[5]。
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