直接甲醇燃料电池甲醇替代燃料的研究

论文主要研究了直接甲醇燃料电池（DMFC）中三种甲醇替代燃料，二甲氧基甲烷（DMM）、乙醇和乙二醇及导致阳极催化剂中毒的吸附CO（COad）在光滑R电极及几种新的R基催化剂电极上的电氧化行为。结合对催化剂的X射线光电子能谱（xPS）、X衍射(XRD)、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TG）表征，初步探讨了几种新催化剂对三种甲醇替代燃料的电催化活性要高于碳载R（PtC）催化剂的原因。另外，还研究了用表面活化处理来提高阳极催化剂对甲醇氧化的电催化活性的方法。本论文得到的主要结果如下：1．在研究DMM在不同条件下，在不同R基催化剂电极上的电化学氧化行为的基础上，发现碳载R和TiO2（Pt-TiO2／C）复合催化剂对DMM氧化的电催化活性要优于Pt/C电极。而Pt-TiO2／C催化剂在吸附Ho3+(Pt-TiO2-Ho3+/C)或Eu3＋（Pt-TiO2-Eu3＋/C）后，对DMM氧化的电催化活性比Pt-TiO2／C电极高。表明TiO2、Eu3+和Ho3+对DMM的氧化都有很好的促进作用，这主要是它们都能为DMM的氧化在电极表面提供更多的含氧物种。由于DMM本身在这些催化剂电极上的氧化性能不好，而且DMM容易在酸性溶液中水解，生成甲醇和甲醛，因此，DMM不是一种好的甲醇替代燃料。2．无论在中性介质中还是在酸性介质中，Eu3＋和Ho3＋对乙醇在R／C电极上的电化学氧化反应都有较好的促进作用，而Eu3＋的促进作用要大于H3+，Eu3＋和H3+在酸性溶液中的促进作用要大于在中性溶液中。无论是中性溶液还是酸性溶液中，吸附CO（COad）在Pt／C催化剂电极上在较正的电位处有一个很大的氧化峰，而在R-Eu3＋／C或R-H3＋／C催化剂电极上在较负电位处有两个小的氧化峰，表明吸附的Eu3＋和Ho3+对cood在R／C催化剂电极上的氧化都有很好的促进作用，主要表现在使Cood的吸附强度降低和吸附量减少。XPs测量表明，当R／C电极表面吸附了Eu3＋或H了十后，使催化剂中Pt和c土的电子云密度变小，因此使Pt对coad的吸附强度减弱。由于Eu3＋或H03＋在电极上吸附不是物理吸附，而是化学吸附，因此，它们与Pt的结合具有相对的稳定性。乙醇电氧化的中间产物，如COad等能强烈地吸附在R上，因此会使R中毒。而Eu3＋或H矿"能降低Coad在R上地吸附强度，因此，Eu3＋或H3+能促进乙醇在Pt／C电极上的电化学氧化反应。Pt-TiO2／C催化剂对乙醇氧化的电催化活性要高于R／C催化剂，表明TiO2对乙醇在R／C电极上的电化学氧化反应也有较好的促进作用。XPS的测量表明，TiO2的加入并不改变Pt的电子状态，因此，TiO2能促进乙醇电氧化反应的主要原因是TIOZ能为乙醇氧化提供含氧物种。实验结果表明，Eu3＋或H3+对乙醇在R-TiO2／C电极上的电化学氧化反应也有一定的促进作用。这是由于Eu3＋或H3+改变了R的电子状态，降低了乙醇电氧化中间产物，COod在Pt上的吸附强度，而TIOZ提供了COod的氧化所必须的含氧物种。3．无论是酸性溶液中还是中性溶液中，乙二醇在R-TiO2／C电极上的氧化活性比在R／C电极上高。这表明TIOZ能促进乙二醇在Pt上的电氧化反应。进一步的实验表明，TIOZ对COad在Pt催化剂电极上氧化的促进作用并不明显。XPS测量表明，这是由于TIOZ并不改变R的电子状态。所以，TiO2对乙二醇在Pt上的电氧化的促进作用只是基于提供乙二醇电氧化所需的含氧物种。无论是酸性溶液中还是中性溶液中，乙二醇在R-WO3／C电极上的氧化活性都比在R／C电极上高。这表明W03能促进乙二醇在R上的电氧化反应。进一步的实验表明，R-WO3／C电极对Coad氧化的电催化活性也要高于R／C电极，XPS测量表明，WO3会降低Pt的电子云密度。所以，WO3对乙二醇在R上的电氧化的促进作用除了提供含氧物种外，还由于它能降低R的电子云密度而降低了乙二醇电氧化中间产物。4．用四氢吠喃和丙酮混合溶液浸泡法对电极进行表面处理后能使Pt／C和Pt-WO3／C电极对乙醇和乙二醇氧化的电催化活性有很大的提高。其原因可能是Pt／C和Pt一w03／C电极在经表面处理后，在电极制备过程中带来的表面活性剂等杂质由于溶解在混合溶液中而被除去，Nafion也可能在用混合溶液浸泡后会发生一定程度的结构变化，因此，使活性中心的位点增加，从而增加了催化剂的电催化活性。另外，经表面处理后，Pt／C和Pt-WO3／C电极的活性中心的结构有一定的变化，使COad的吸附强度降低而容易氧化，降低了COad对催化剂的毒化作用，因而提高了电极对乙醇和乙二醇氧化的电催化活性。