浸渍法制备复合ptsno2碳纤维直接乙醇燃料电池阳极催化剂
本文通过浸渍法制备复合Pt-SnO2/碳纤维阳极催化剂，以自制的石墨烯改性碳纤维作为载体，研究浸渍复合顺序改变以及烧结工艺对其性能的影响。制得的Pt-SnO2/碳纤维粉体通过X射线衍射法进行表征，并将其喷涂到石墨电极上，进行电化学测试。结果表明，烧结工艺为300℃预氧化、800℃烧结时，先浸渍Pt烧结后浸渍Sn制备的Pt-SnO2/碳纤维催化剂在酸性条件下，电催化活性最高。
目 录
1前言 1
1.1概述 1
1.2直接乙醇燃料电池工作机理 1
1.3直接乙醇燃料电池阳极催化剂 2
1.3.1一元催化剂 3
1.3.2二元催化剂 3
1.3.3三元或多元催化剂 4
1.4催化剂的支撑材料 5
1.4.1炭黑(C) 5
1.4.2碳纳米管(CNT) 5
1.4.3碳纤维(CNF) 5
1.4.4石墨烯(GE) 6
1.4.5导电高分子(CPs) 6
1.4.6氧化物(MOx) 6
1.4.7复合物及其他材料 6
1.5直接乙醇燃料电池阳极催化剂的制备 7
1.5.1物理合成技术 7
1.5.2化学合成法 7
1.5.3电化学沉积法 7
1.6直接乙醇燃料电池面临的问题及挑战 7
1.7本文研究的内容和目的 8
2实验部分 9
2.1实验药品 9
2.2实验仪器 9
2.3实验操作 10
2.3.1石墨烯的制备 10
2.3.2改性碳纤维的制备 10
2.3.4电极的制备 11
2.3.5电化学性能测试 11
3结果与讨论 12
3.1催化剂的XRD表征 12
3.2 催化剂的SEM和EDS表征 14
3.3催化剂的电性能测试 15
3.3.1烧结温度对催化剂电催化性能的影响 15
3.3.2氧化温度对催化剂电催化性能的影响 17
3.3.3 不同浸渍顺序对催化
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剂电催化性能的影响 19
4结论 22
参考文献 23
致谢 25
1前言
1.1概述
直接乙醇类燃料电池（DEFC）的结构简单，能量高，安全无污染，且运作时转化效率高，因此在独立电源，清洁能源，可持续发展方面有着独特的优势，被广泛的重视与研究[12]。同时乙醇的比能量密度高，无毒性，含氢量高，来源丰富，可以通过农作物发酵进行大规模生产，并且乙醇作为燃料可以减少氮氧化物、硫氧化物和CO等空气污染物的排放，是一种可再生的环境友好的燃料。因此，直接乙醇燃料电池在解决当今社会面临的能源短缺以及环境污染方面，存在着很大的作用。
1.2直接乙醇燃料电池工作机理
直接乙醇类燃料电池（DEFC）直接以乙醇作燃料，相对于质子交换膜燃料电池（PEMFC），更加的安全和便捷。直接乙醇燃料电池的工作机理如图11[3]表示：燃料（乙醇水溶液）进入阳极，在催化剂的作用下发生电催化氧化反应，产生水和二氧化碳。此时反应的中间产物电子经外电路传递到阴极，氢质子则通过质子交换膜传导。质子、电子和氧气在阴极发生反应，氧气被电催化还原生成水。
图11直接乙醇燃料电池的工作机理图
电极与电池反应：
阳极：C2H5OH(aq) + 3H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e （1）
阴极：1/ 2O2 + 2H+ + 2e → H2O （2）
总电池反应：C2H5OH (aq) + 3O2 → 2CO2 + 3H2O （3）
根据反应物与产物的吉布斯自由能，计算标准情况下表征反应（1）的吉布斯自由能该变量：
阳极反应的标准电极电势：
阴极反应（2）的标准电极电势：
标准状况下的理论平衡电位：
总吉布斯自由能变化量（3）：
理论能量密度为：
乙醇的标准热焓值：
[4]
标准状态下的理论能量转换效率：
综上可述，DEFC的理论能量转换效率接近于1。但是在实际使用过程中，电极极化以及电池内阻，会影响输出电压，使其实际值远低于理论值，同样，实际转化效率也会因此降低，从而降低了DEFC的效率。
1.3直接乙醇燃料电池阳极催化剂
在直接乙醇燃料电池中，乙醇完全电氧化其实是一个12电子转移并断裂成CC键的过程，其中反应中间产物多，易使催化剂中毒。其次阳极极化电位过高也是影响电池性能的关键影响因素，所以开发高效的电催化剂是DEFC的一个主要研究方向。
高效的电催化剂不仅需要对乙醇的电化学催化作用有高效的作用，且能够在在酸碱条件下稳定存在，并具有良好的导电性以及电催化活性。对燃料电池而言，电催化剂的作用在于提高电池内部的电化学反应，并能够抑制副产物的产生和作用。因此，电催化剂必须具有良好的电催化活性，它不仅决定了燃料电池放电时的电池性能，同样影响这其寿命和成本。
目前国内外关于DEFC电催化剂的研究方向主要优化阳极催化剂，多以Pt为基础的一元、二元或多元催化剂为主。此外寻找性能更优，价格更低的金属，也是研究的重点，非贵金属催化剂的研究使电催化剂的活性得到了提高，并能够极大地降低降催化剂的成本，推动了其产业化的进程。
1.3.1一元催化剂
目前研究中贵金属对乙醇的电催化氧化活性最高，是研究与应用中最为广泛的催化材料。研究结果表明，贵金属能够极大地促进乙醇的反应速率，其中Pt催化剂的效果最佳。在目前的研究中，主要的Pt系一元催化剂种类主要有：Pt/C、Pt/炭黑和Pt/PEM（质子交换膜），其中Pt/C催化剂的研究最为广泛。研究者们发现， Pt金属在酸性介质中对乙醇的氧化具有很高的催化活性与稳定性[5]。然而，在乙醇被氧化成乙醛和乙酸的过程中会产生部分的CO，CO会与Pt金属进行反应，从而使Pt中毒，使其失活[67]。同时Pt属于贵重金属，价格昂贵、存储量低等问题严重影响了乙醇燃料电池的商业化进程。
Pd和Pt在周期表中属于同一族，具有相同的晶体结构和相近的原子半径，因此其性质相似。同时，Pd的成本低于Pt，资源储量也是Pt的五十倍以上。因此，Pd作为Pt的替代品被广泛的研究应用。研究表明，在碱性溶液中，Pd催化剂的表面易吸附OH，从而提高其对乙醇的电催化氧化[8]。Ma[9]等研究发现，Pd/C在碱性条件下对乙醇的电催化氧化能力高于Pt/C催化剂。同时Pd催化剂相较于Pt具有更加优良的抗CO中毒能力，这是因为Pd表面极易吸附 OHads和 Oads阴离子，从而使COads不容易被吸附。
目 录
1前言 1
1.1概述 1
1.2直接乙醇燃料电池工作机理 1
1.3直接乙醇燃料电池阳极催化剂 2
1.3.1一元催化剂 3
1.3.2二元催化剂 3
1.3.3三元或多元催化剂 4
1.4催化剂的支撑材料 5
1.4.1炭黑(C) 5
1.4.2碳纳米管(CNT) 5
1.4.3碳纤维(CNF) 5
1.4.4石墨烯(GE) 6
1.4.5导电高分子(CPs) 6
1.4.6氧化物(MOx) 6
1.4.7复合物及其他材料 6
1.5直接乙醇燃料电池阳极催化剂的制备 7
1.5.1物理合成技术 7
1.5.2化学合成法 7
1.5.3电化学沉积法 7
1.6直接乙醇燃料电池面临的问题及挑战 7
1.7本文研究的内容和目的 8
2实验部分 9
2.1实验药品 9
2.2实验仪器 9
2.3实验操作 10
2.3.1石墨烯的制备 10
2.3.2改性碳纤维的制备 10
2.3.4电极的制备 11
2.3.5电化学性能测试 11
3结果与讨论 12
3.1催化剂的XRD表征 12
3.2 催化剂的SEM和EDS表征 14
3.3催化剂的电性能测试 15
3.3.1烧结温度对催化剂电催化性能的影响 15
3.3.2氧化温度对催化剂电催化性能的影响 17
3.3.3 不同浸渍顺序对催化
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
剂电催化性能的影响 19
4结论 22
参考文献 23
致谢 25
1前言
1.1概述
直接乙醇类燃料电池（DEFC）的结构简单，能量高，安全无污染，且运作时转化效率高，因此在独立电源，清洁能源，可持续发展方面有着独特的优势，被广泛的重视与研究[12]。同时乙醇的比能量密度高，无毒性，含氢量高，来源丰富，可以通过农作物发酵进行大规模生产，并且乙醇作为燃料可以减少氮氧化物、硫氧化物和CO等空气污染物的排放，是一种可再生的环境友好的燃料。因此，直接乙醇燃料电池在解决当今社会面临的能源短缺以及环境污染方面，存在着很大的作用。
1.2直接乙醇燃料电池工作机理
直接乙醇类燃料电池（DEFC）直接以乙醇作燃料，相对于质子交换膜燃料电池（PEMFC），更加的安全和便捷。直接乙醇燃料电池的工作机理如图11[3]表示：燃料（乙醇水溶液）进入阳极，在催化剂的作用下发生电催化氧化反应，产生水和二氧化碳。此时反应的中间产物电子经外电路传递到阴极，氢质子则通过质子交换膜传导。质子、电子和氧气在阴极发生反应，氧气被电催化还原生成水。
图11直接乙醇燃料电池的工作机理图
电极与电池反应：
阳极：C2H5OH(aq) + 3H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e （1）
阴极：1/ 2O2 + 2H+ + 2e → H2O （2）
总电池反应：C2H5OH (aq) + 3O2 → 2CO2 + 3H2O （3）
根据反应物与产物的吉布斯自由能，计算标准情况下表征反应（1）的吉布斯自由能该变量：
阳极反应的标准电极电势：
阴极反应（2）的标准电极电势：
标准状况下的理论平衡电位：
总吉布斯自由能变化量（3）：
理论能量密度为：
乙醇的标准热焓值：
[4]
标准状态下的理论能量转换效率：
综上可述，DEFC的理论能量转换效率接近于1。但是在实际使用过程中，电极极化以及电池内阻，会影响输出电压，使其实际值远低于理论值，同样，实际转化效率也会因此降低，从而降低了DEFC的效率。
1.3直接乙醇燃料电池阳极催化剂
在直接乙醇燃料电池中，乙醇完全电氧化其实是一个12电子转移并断裂成CC键的过程，其中反应中间产物多，易使催化剂中毒。其次阳极极化电位过高也是影响电池性能的关键影响因素，所以开发高效的电催化剂是DEFC的一个主要研究方向。
高效的电催化剂不仅需要对乙醇的电化学催化作用有高效的作用，且能够在在酸碱条件下稳定存在，并具有良好的导电性以及电催化活性。对燃料电池而言，电催化剂的作用在于提高电池内部的电化学反应，并能够抑制副产物的产生和作用。因此，电催化剂必须具有良好的电催化活性，它不仅决定了燃料电池放电时的电池性能，同样影响这其寿命和成本。
目前国内外关于DEFC电催化剂的研究方向主要优化阳极催化剂，多以Pt为基础的一元、二元或多元催化剂为主。此外寻找性能更优，价格更低的金属，也是研究的重点，非贵金属催化剂的研究使电催化剂的活性得到了提高，并能够极大地降低降催化剂的成本，推动了其产业化的进程。
1.3.1一元催化剂
目前研究中贵金属对乙醇的电催化氧化活性最高，是研究与应用中最为广泛的催化材料。研究结果表明，贵金属能够极大地促进乙醇的反应速率，其中Pt催化剂的效果最佳。在目前的研究中，主要的Pt系一元催化剂种类主要有：Pt/C、Pt/炭黑和Pt/PEM（质子交换膜），其中Pt/C催化剂的研究最为广泛。研究者们发现， Pt金属在酸性介质中对乙醇的氧化具有很高的催化活性与稳定性[5]。然而，在乙醇被氧化成乙醛和乙酸的过程中会产生部分的CO，CO会与Pt金属进行反应，从而使Pt中毒，使其失活[67]。同时Pt属于贵重金属，价格昂贵、存储量低等问题严重影响了乙醇燃料电池的商业化进程。
Pd和Pt在周期表中属于同一族，具有相同的晶体结构和相近的原子半径，因此其性质相似。同时，Pd的成本低于Pt，资源储量也是Pt的五十倍以上。因此，Pd作为Pt的替代品被广泛的研究应用。研究表明，在碱性溶液中，Pd催化剂的表面易吸附OH，从而提高其对乙醇的电催化氧化[8]。Ma[9]等研究发现，Pd/C在碱性条件下对乙醇的电催化氧化能力高于Pt/C催化剂。同时Pd催化剂相较于Pt具有更加优良的抗CO中毒能力，这是因为Pd表面极易吸附 OHads和 Oads阴离子，从而使COads不容易被吸附。
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