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甲醇氧化及二氧化碳还原电催化电极研究

作　者: 崔颖
导　师: 陈金华
学　校: 湖南大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 电催化剂碳纳米管金属纳米颗粒甲醇氧化二氧化碳还原
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着全球经济的迅速发展，人类对能源的需求也与日俱增。人类普遍从燃烧化石资源（包括石油、天然气和煤等）中来获取能源，然而化石资源的储量有限且不可再生，在使用化石资源的过程中不可避免的带来大气污染，而且化石能源燃烧产生的二氧化碳（CO₂）是温室气体的主要成分之一。因此开发新型可再生清洁能源与将空气中丰富的CO₂转化为有用物质的研究引起了人们的重视。由于纳米材料具有催化活性高、比表面积大、亲和力强等特点，其在电催化材料领域已经得到了广泛的应用。纳米材料电极与常规电极相比，具有显著的纳米尺寸效应及特殊的电催化活性。本文制备了纳米材料电催化剂，并就其对甲醇氧化及二氧化碳还原的电化学性能进行了研究。本论文的主要工作如下：（1）利用聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）非共价修饰的碳纳米管（CNTs）与PtCl62-之间的自发氧化还原作用,制备铂纳米颗粒（Pt NPs）与PDDA包裹的CNTs复合催化剂（Pt NPs/CNTs-PDDA）。采用红外光谱、热重分析和拉曼光谱对CNTs-PDDA进行了表征，表明PDDA通过π-π吸附作用已成功覆盖在CNTs表面，并且修饰过程没有导致CNTs结构的破坏。采用透射电子显微镜对PtNPs/CNTs-PDDA催化剂进行了表征，结果表明, Pt NPs均匀地分散在CNTs上，平均粒径约2nm,且粒径分布范围窄。用循环伏安法、计时电流法进一步考察了Pt NPs/CNTs-PDDA催化剂在酸性介质中对甲醇的电催化氧化性能。电化学测试结果表明,与未处理的CNTs负载的Pt NPs催化剂相比, Pt NPs/CNTs-PDDA催化剂具有更高的电化学活性表面积、电催化质量比活性和稳定性。（2）以CNTs负载的Pb NPs及Au NPs为电催化剂，以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIM-BF₄）为助催化剂，研究了这两个反应体系对CO₂的电化学还原性能。采用SEM对所制备Pb NPs/CNTs及Au NPs/CNTs形貌进行了表征。采用循环伏安法对其CO₂的电化学还原性能进行了研究。结果表明Pb NPs及Au NPs均匀分散在CNTs表面，无明显的团聚。对Pb NPs/CNTs及Au NPs/CNTs的CV结果显示，BMIM-BF₄水溶液中的二氧化碳还原性能优于KHCO3溶液。PbNPs/CNTs在BMIM-BF₄水溶液中的CO₂的还原电位比析氢电位正420mV，而Au NPs/CNTs在BMIM-BF₄水溶液中对CO₂还原的起峰电位为-0.58V VsAg/AgCl。（3）制备了多面体结构的沸石咪唑酯骨架结构材料纳米颗粒ZIF-8NPs并应用于CO₂的电化学还原研究。采用SEM对ZIF-8NPs的形貌进行了表征，通过循环伏安法、线性伏安法对ZIF-8NPs电极的CO₂电化学还原性能进行了考察。结果表明：ZIF-8NPs成十二面体的结构，形状均一；且具有较好的CO₂电化学还原性能。为了改善ZIF-8NPs的催化性能，制备了ZIF-8NPs/C复合材料。交流阻抗及计时电流法结果表明：ZIF-8NPs/C电极的电子转移性能和稳定性能均优于ZIF-8NPs催化剂。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-25
  1.1 引言  12
  1.2 电催化过程  12-16
    1.2.1 电催化的类型及一般原理  13-15
    1.2.2 影响电催化剂性能的因素  15-16
  1.3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂  16-20
    1.3.1 Pt 催化剂  17-18
    1.3.2 甲醇氧化催化剂的载体  18-20
    1.3.3 功能化的方法  20
  1.4 CO_2的电化学还原  20-24
    1.4.1 不同金属电极上的 CO_2电化学还原  21
    1.4.2 修饰电极对 CO_2的电化学催化还原  21-22
    1.4.3 CO_2的电化学还原溶剂的选择  22-24
  1.5 本课题选择的意义和内容  24-25
第2章 Pt 纳米颗粒在聚二甲基二烯丙基氯化铵功能化碳纳米管上的自发沉积及其对甲醇的电氧化性能  25-35
  2.1 前言  25-26
  2.2 实验部分  26-28
    2.2.1 实验药品  26
    2.2.2 实验仪器  26-27
    2.2.3 实验所需溶液  27
    2.2.4 CNTs-PDDA 的制备  27
    2.2.5 Pt NPs/CNTs-PDDA 和 Pt NPs/CNTs 催化剂的制备  27
    2.2.6 工作电极的制备  27-28
    2.2.7 催化剂的表征  28
    2.2.8 催化剂对甲醇氧化的电催化性能研究  28
  2.3 结果与讨论  28-34
    2.3.1 CNTs-PDDA 的光谱和热重表征  28-30
    2.3.2 CNTs-PDDA 和 CNTs 碳腐蚀测试  30-31
    2.3.3 Pt NPs/CNTs-PDDA 和 Pt NPs/CNTs 催化剂的 TEM 表征  31-32
    2.3.4 催化剂对甲醇电化学氧化的性能研究  32-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章基于离子液体和 CNTs 载电催化剂的 CO_2电化学还原性能研究  35-43
  3.1 前言  35-36
  3.2 实验部分  36-37
    3.2.1 实验药品  36
    3.2.2 实验仪器  36
    3.2.3 实验所需溶液  36
    3.2.4 Pb NPs/CNTs 纳米材料的制备  36
    3.2.5 Au NPs/CNTs 纳米材料催化剂的制备  36-37
    3.2.6 工作电极的制备  37
    3.2.7 电化学测试  37
  3.3 结果与讨论  37-42
    3.3.1 CNTs 载电催化剂的形貌及组成表征  37-38
    3.3.2 水溶液中 CNTs 载电催化剂对 CO_2的电化学还原性能  38-39
    3.3.3 BMIM-BF_4水溶液体系中 CNTs 载电催化剂对 CO_2的电化学还原性能  39-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章多面体结构的 ZIF-8 纳米颗粒对 CO_2的电化学还原性能研究  43-52
  4.1 前言  43-44
  4.2 实验部分  44-45
    4.2.1 实验药品  44
    4.2.2 实验仪器  44
    4.2.3 实验所需溶液  44
    4.2.4 ZIF-8 NPs 的制备  44
    4.2.5 工作电极的制备  44
    4.2.6 电化学测试  44-45
  4.3 结果与讨论  45-50
    4.3.1 ZIF-8 NPs 及 ZIF-8 NPs/C 的形貌表征  45-46
    4.3.2 ZIF-8 NPs 电极对 CO_2电化学还原性能研究  46-49
    4.3.3 ZIF-8 NPs 和 ZIF-8 NPs/C 电极的电化学性能和稳定性研究  49-50
  4.4 本章小结  50-52
结论  52-53
参考文献  53-65
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  65-66
致谢  66

甲醇氧化及二氧化碳还原电催化电极研究

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