碳化硅基直接醇类燃料电池催化剂的研究

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直接醇类燃料电池(DAFCs)直接以液态醇为燃料,具有清洁、高效、安全等优点,被认为是最具应用前景的化学电源。然而直接醇类燃料电池阳极催化剂存在活性和稳定性差及易被CO毒化等问题,制约了直接醇类燃料电池的商业化进程。  本文采用抗氧化性和耐腐蚀性好的高比表面积SiC纳米材料为催化剂载体来提高Pt基催化剂的活性和稳定性,通过元素掺杂和碳复合等手段对SiC载体进行优化,进而提高催化剂的甲醇和乙醇电催化氧化活性和稳定性。具体研究内容和结论如下:  (1)采用溶胶-凝胶和碳热还原法制备了高比表面积的SiC纳米材料,将其负载Pt催化剂后应用于甲醇催化氧化反应。高比表面积的SiC由表面粗糙的SiC纳米带相互缠绕组成,具有三维多孔结构。SiC纳米带表面粗糙,可有效分散和固定Pt活性组分,抑制Pt纳米粒子的迁移和生长,使Pt催化剂在甲醇电催化氧化反应中表现出良好的活性和稳定性。  (2)以硼酸为硼源,通过原位碳热还原法制备了不同B掺杂量的BxSiC样品。B掺杂进入了SiC晶格并取代了Si的位点,使SiC载流子浓度增大,导电性增强,从而使甲醇在Pt/BxSiC催化剂上电氧化的电荷转移阻力减小,提高Pt/BxSiC催化剂的甲醇催化氧化活性。  (3)以膨胀石墨和硅溶胶为原料制备了SiC包覆石墨化C的SiC/C复合物,该复合物整体呈表面褶皱的带状结构,可很好的分散负载的Pt纳米粒子。SiC/C载体为SiC包覆C的结构,C核的存在使其具有良好的导电性,而SiC外壳使其保有SiC优异的化学稳定性,从而使Pt/SiC/C催化剂具有优异的甲醇及乙醇氧化活性和稳定性。  (4)通过改变沉积溶液中Ru的含量,以脉冲伏安法制备了不同Ru含量的PtRu/SiC/C催化剂。Ru的加入弱化了Pt表面CO的吸附,同时使催化剂表面活性含氧基团增多,从而使PtRu/SiC/C催化剂的甲醇和乙醇的电催化氧化活性提高。  (5)此外,考察了BxSiC样品的光催化分解水制氢的性能。结果表明,BxSiC具有稳定的可见光分解纯水产氢活性,SiC晶格中B取代Si形成P型掺杂,在SiC价带顶形成了浅的受主能级,使有效价带负移,带隙能减小,拓宽了可见光的吸收范围。掺杂形成的受主能级抑制了光生电子和空穴的复合,从而提高了BxSiC的光催化分解水产氢活性。
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