螺旋碳纳米纤维复合纳米材料的制备以及对乙醇的催化氧化
螺旋碳纳米纤维复合纳米材料的制备以及对乙醇的催化氧化[20200412222753]
摘要
随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，开发新能源已经刻不容缓。燃料电池是一种绿色环保的能源，以氢或含氢的物质为阳极燃料、空气或者氧气为阴极燃料，燃料电池最终的产物为对环境友好的水。
本实验采用气相沉积法制备了螺旋碳纳米纤维（HCNFs），并以HCNFs为载体制备Pd/HCNFs和Pd-Mn3O4/HCNFs，对合成的HCNFs、Pd/HCNFs和Pd-Mn3O4/HCNFs阳极催化材料进行X射线粉末衍射仪（XRD）、透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪（EDS）等表征，各种表征都表明实验合成的材料形貌较好，催化剂分散均匀。然后对Pd-Mn3O4/HCNFs材料进行电化学测试，做了对乙醇的催化，并与Pd/HCNFs和Pd/VX-72进行对比，发现Pd-Mn3O4/HCNFs材料不仅仅对整个反应的化学动力学有很大的提高，而且对乙醇的催化效率、催化性能都有明显的提高，说明Mn3O4的加入起到了良好的效果，这种两元催化剂将在燃料电池催化剂领域有更广阔的研究前景。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:燃料电池螺旋碳纳米纤维钯四氧化三锰乙醇
目 录
1 前言 1
1.1燃料电池的简介 1
1.1.1燃料电池的发展史 1
1.1.2燃料电池的基本原理 1
1.1.3燃料电池的分类 2
1.1.4燃料电池的主要优势及应用 3
1.2直接醇类燃料电池的概况简介 3
1.2.1直接醇类燃料电池的发展现状 3
1.2.2直接醇类燃料电池的反应原理 4
1.2.3乙醇燃料电池的优势 5
1.3阳极催化剂载体简介 5
1.3.1炭黑载体的简介 5
1.3.2碳纳米纤维载体的简介 6
1.4论文设计的意义及研究内容 6
2 实验材料与实验方法 8
2.1实验药品 8
2.2实验仪器 8
2.3材料表征方法 9
2.3.1 X射线粉末衍射仪（XRD） 9
2.3.2扫描电子显微镜（SEM） 9
2.3.3透射电子显微镜（TEM） 9
2.3.4 X射线能谱仪（EDS） 9
2.4电化学实验方法 9
2.4.1循环伏安法 10
2.4.2线性伏安法 10
2.4.3计时电流法 10
3 实验过程与结果分析 11
3.1实验部分 11
3.1.1螺旋碳纳米纤维（HCNFs）的制备 11
3.1.2 Mn3O4/HCNFs、Pd- Mn3O4/HCNFs、Pd/HCNFs和Pd/VX-72的制备 11
3.1.3电极的制备 11
3.1.4材料的表征和电化学测试 12
3.2结果与讨论 12
3.2.1 Pd-Mn3O4/HCNFs及几种相关材料的表征结果 12
3.2.2 Pd- Mn3O4/HCNFs、Pd/HCNFs和Pd/VX-72三种材料的电化学测试结果 17
4 结论 22
参考文献 23
致谢 25
1 前言
众所周知在今天的社会形势下，人们最需要就是能源，为了满足自己的需求，人们不断地开采不可再生的化石燃料，它并非取之不尽用之不竭，且使用化石燃料会产生二氧化碳等污染空气的有害气体，使得现在的环境状态变得越来越恶劣，全国各地连续不断的雾霾天气，近几年连续不断的地震、泥石流等自然灾害就是因为人类对能源无止境的透支所导致的。所以开发一种可持续的、对生态环境友好的新能源已经刻不容缓。燃料电池就是在这种能源急需的时代被研究、开发、利用。燃料电池被称作21世纪的能源之星，它对环境友好、无污染，且燃料电池的能量来源广泛，只要不断的供给乙醇、甲酸等燃料就能不断转换成电能供人们使用[1-5]。自燃料电池被发掘以来，不断涌现一批批的科研人员对其展开研究与探讨，使燃料电池得到了迅速的发展。
1.1燃料电池的简介
1.1.1燃料电池的发展史
燃料电池在很多年前就被科学研究人员发现并做了研究报道，在1839年的时候，世界上第一个简易的燃料电池就已经出现，它是由英国科学家William Grove(威廉·格罗夫)发现并制作成功，接着他根据自己的成果做了第一篇有关燃料电池的报道[6]。在之后的40多年里，科学人员对燃料电池的研究进程缓慢。直到1889年Charies Langer和Ludwig Mond一起合作设计出第一个实际型的燃料电池[7]，这项研究为以后燃料电池的发展做了巨大贡献。然而真正推动燃料电池发展使燃料电池投入实际应用的是1962年燃料电池作为宇宙飞船的动力来源而被世人广泛的了解熟知。从此，对于燃料电池的研究进入了一个快速发展的时代。
在新的时代，由于能源危机及环境污染等原因再次把燃料电池推上了科研的热点。燃料电池由于材料来源广泛，产生电能之后的产物对环境友好无污染而受到科研人员的广泛研究。1993年第一辆以燃料电池为能量来源的电动汽车的出现，是燃料电池投入实际生产使用的新的里程碑。随着对它研究的不断深入，在世界的各个角落都已经存在燃料电池的各个使用领域。燃料电池的迅速发展及它的良好特质决定了燃料电池在未来必将作为一种主导的能源存在。
1.1.2燃料电池的基本原理
燃料电池主要有四部分组成，具体的燃料电池结构及原理如图1.1所示。燃料电池工作时，燃料在阳极发生氧化反应的同时放出电子，反应公式如（公式1.1），通过外电路传输到阴极，阴极接受了电子发生还原反应，反应公式如（公式1.2），总的反应如（公式1.3）整个反应就是把我们外界提供的化学能源源不断的转换成了电能，供给人们使用。只要不断地从外界供给燃料，就能持续不断的产生电能，并且整个反应系统不受卡诺循环的限制[7]。
我们一般采用纯氢、天然气等一些含氢多的气体以及乙醇、甲酸等含氢的小分子液体作为阳极的燃料，用纯氧或者是空气作为通入阴极的材料。
图1.1 燃料电池简易工作示意图
H2→2H++2e- E=0.000V （公式1.1）
1/2O2+2H+→H2O-2e- E=1.229V （公式1.2）
H2 +1/2O2→H2O △E=1.229V （公式1.3）
1.1.3燃料电池的分类
在表1.1中列入了最常用的燃料电池的分类方式，并对不同类型的燃料电池做了简单的介绍，详细的内容见下表1.1。
表1.1燃料电池的分类[8]
1.1.4燃料电池的主要优势及应用
燃料电池的主要可取之处包括以下几种：把能量有效高效的转换、燃料材料方便取用、燃料电池的最终产物为对环境几乎零污染的水、且它的应用范围特别广泛，生活中无处不在。这都是燃料电池可用来代替传统化石燃料的优点，在未来的社会它必将成为贴近人们生活必须的一部分。
燃料电池的应用范围也是极为广泛的，大致在以下方面有良好的应用前景：电子产品的电源如手机、电脑、电动汽车等；还有作为汽车等的燃料来源；宇宙空间的应用主要有航天飞机、宇宙飞船的电力来源等；燃料电池使用时间长且工作的时候无噪音等特点也被选作军事中的电力来源，另外一系列的商业及居民应用范畴都存在燃料电池的影子。
1.2直接醇类燃料电池的概况简介
1.2.1直接醇类燃料电池的发展现状
起初氢气被科学家们选作燃料电池的燃料，可是大家又都知道氢气很不稳定容易引起爆炸等安全隐患，不便于存储以及运输。所以现在科学家们就改用一些方便存储运输的含氢量比较高的液体燃料，比如甲醇、乙醇等醇类物质。目前研究最多的醇类燃料电池主要包括甲醇燃料电池和乙醇燃料电池等，其中甲醇燃料电池被人们最早的发现并研究投入生产使用，但由于甲醇本身固有的有毒等化学性质可以致使双目失明等情况的出现，所以最近科研方向已经逐渐向绿色对人体伤害小的乙醇燃料电池发展[9-10]。虽然现在已有一些醇类的燃料电池上市投入使用，但是醇类燃料电池还存在一些问题正待解决，如催化剂的选择、催化剂载体的选择、电解质膜的选择以及如何降低成本等一系列的问题。目前的状况离它实现大批量的市场使用还有一大截的距离，所以说醇类燃料电池的发展还有待进步与发展。
摘要
随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，开发新能源已经刻不容缓。燃料电池是一种绿色环保的能源，以氢或含氢的物质为阳极燃料、空气或者氧气为阴极燃料，燃料电池最终的产物为对环境友好的水。
本实验采用气相沉积法制备了螺旋碳纳米纤维（HCNFs），并以HCNFs为载体制备Pd/HCNFs和Pd-Mn3O4/HCNFs，对合成的HCNFs、Pd/HCNFs和Pd-Mn3O4/HCNFs阳极催化材料进行X射线粉末衍射仪（XRD）、透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪（EDS）等表征，各种表征都表明实验合成的材料形貌较好，催化剂分散均匀。然后对Pd-Mn3O4/HCNFs材料进行电化学测试，做了对乙醇的催化，并与Pd/HCNFs和Pd/VX-72进行对比，发现Pd-Mn3O4/HCNFs材料不仅仅对整个反应的化学动力学有很大的提高，而且对乙醇的催化效率、催化性能都有明显的提高，说明Mn3O4的加入起到了良好的效果，这种两元催化剂将在燃料电池催化剂领域有更广阔的研究前景。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:燃料电池螺旋碳纳米纤维钯四氧化三锰乙醇
目 录
1 前言 1
1.1燃料电池的简介 1
1.1.1燃料电池的发展史 1
1.1.2燃料电池的基本原理 1
1.1.3燃料电池的分类 2
1.1.4燃料电池的主要优势及应用 3
1.2直接醇类燃料电池的概况简介 3
1.2.1直接醇类燃料电池的发展现状 3
1.2.2直接醇类燃料电池的反应原理 4
1.2.3乙醇燃料电池的优势 5
1.3阳极催化剂载体简介 5
1.3.1炭黑载体的简介 5
1.3.2碳纳米纤维载体的简介 6
1.4论文设计的意义及研究内容 6
2 实验材料与实验方法 8
2.1实验药品 8
2.2实验仪器 8
2.3材料表征方法 9
2.3.1 X射线粉末衍射仪（XRD） 9
2.3.2扫描电子显微镜（SEM） 9
2.3.3透射电子显微镜（TEM） 9
2.3.4 X射线能谱仪（EDS） 9
2.4电化学实验方法 9
2.4.1循环伏安法 10
2.4.2线性伏安法 10
2.4.3计时电流法 10
3 实验过程与结果分析 11
3.1实验部分 11
3.1.1螺旋碳纳米纤维（HCNFs）的制备 11
3.1.2 Mn3O4/HCNFs、Pd- Mn3O4/HCNFs、Pd/HCNFs和Pd/VX-72的制备 11
3.1.3电极的制备 11
3.1.4材料的表征和电化学测试 12
3.2结果与讨论 12
3.2.1 Pd-Mn3O4/HCNFs及几种相关材料的表征结果 12
3.2.2 Pd- Mn3O4/HCNFs、Pd/HCNFs和Pd/VX-72三种材料的电化学测试结果 17
4 结论 22
参考文献 23
致谢 25
1 前言
众所周知在今天的社会形势下，人们最需要就是能源，为了满足自己的需求，人们不断地开采不可再生的化石燃料，它并非取之不尽用之不竭，且使用化石燃料会产生二氧化碳等污染空气的有害气体，使得现在的环境状态变得越来越恶劣，全国各地连续不断的雾霾天气，近几年连续不断的地震、泥石流等自然灾害就是因为人类对能源无止境的透支所导致的。所以开发一种可持续的、对生态环境友好的新能源已经刻不容缓。燃料电池就是在这种能源急需的时代被研究、开发、利用。燃料电池被称作21世纪的能源之星，它对环境友好、无污染，且燃料电池的能量来源广泛，只要不断的供给乙醇、甲酸等燃料就能不断转换成电能供人们使用[1-5]。自燃料电池被发掘以来，不断涌现一批批的科研人员对其展开研究与探讨，使燃料电池得到了迅速的发展。
1.1燃料电池的简介
1.1.1燃料电池的发展史
燃料电池在很多年前就被科学研究人员发现并做了研究报道，在1839年的时候，世界上第一个简易的燃料电池就已经出现，它是由英国科学家William Grove(威廉·格罗夫)发现并制作成功，接着他根据自己的成果做了第一篇有关燃料电池的报道[6]。在之后的40多年里，科学人员对燃料电池的研究进程缓慢。直到1889年Charies Langer和Ludwig Mond一起合作设计出第一个实际型的燃料电池[7]，这项研究为以后燃料电池的发展做了巨大贡献。然而真正推动燃料电池发展使燃料电池投入实际应用的是1962年燃料电池作为宇宙飞船的动力来源而被世人广泛的了解熟知。从此，对于燃料电池的研究进入了一个快速发展的时代。
在新的时代，由于能源危机及环境污染等原因再次把燃料电池推上了科研的热点。燃料电池由于材料来源广泛，产生电能之后的产物对环境友好无污染而受到科研人员的广泛研究。1993年第一辆以燃料电池为能量来源的电动汽车的出现，是燃料电池投入实际生产使用的新的里程碑。随着对它研究的不断深入，在世界的各个角落都已经存在燃料电池的各个使用领域。燃料电池的迅速发展及它的良好特质决定了燃料电池在未来必将作为一种主导的能源存在。
1.1.2燃料电池的基本原理
燃料电池主要有四部分组成，具体的燃料电池结构及原理如图1.1所示。燃料电池工作时，燃料在阳极发生氧化反应的同时放出电子，反应公式如（公式1.1），通过外电路传输到阴极，阴极接受了电子发生还原反应，反应公式如（公式1.2），总的反应如（公式1.3）整个反应就是把我们外界提供的化学能源源不断的转换成了电能，供给人们使用。只要不断地从外界供给燃料，就能持续不断的产生电能，并且整个反应系统不受卡诺循环的限制[7]。
我们一般采用纯氢、天然气等一些含氢多的气体以及乙醇、甲酸等含氢的小分子液体作为阳极的燃料，用纯氧或者是空气作为通入阴极的材料。
图1.1 燃料电池简易工作示意图
H2→2H++2e- E=0.000V （公式1.1）
1/2O2+2H+→H2O-2e- E=1.229V （公式1.2）
H2 +1/2O2→H2O △E=1.229V （公式1.3）
1.1.3燃料电池的分类
在表1.1中列入了最常用的燃料电池的分类方式，并对不同类型的燃料电池做了简单的介绍，详细的内容见下表1.1。
表1.1燃料电池的分类[8]
1.1.4燃料电池的主要优势及应用
燃料电池的主要可取之处包括以下几种：把能量有效高效的转换、燃料材料方便取用、燃料电池的最终产物为对环境几乎零污染的水、且它的应用范围特别广泛，生活中无处不在。这都是燃料电池可用来代替传统化石燃料的优点，在未来的社会它必将成为贴近人们生活必须的一部分。
燃料电池的应用范围也是极为广泛的，大致在以下方面有良好的应用前景：电子产品的电源如手机、电脑、电动汽车等；还有作为汽车等的燃料来源；宇宙空间的应用主要有航天飞机、宇宙飞船的电力来源等；燃料电池使用时间长且工作的时候无噪音等特点也被选作军事中的电力来源，另外一系列的商业及居民应用范畴都存在燃料电池的影子。
1.2直接醇类燃料电池的概况简介
1.2.1直接醇类燃料电池的发展现状
起初氢气被科学家们选作燃料电池的燃料，可是大家又都知道氢气很不稳定容易引起爆炸等安全隐患，不便于存储以及运输。所以现在科学家们就改用一些方便存储运输的含氢量比较高的液体燃料，比如甲醇、乙醇等醇类物质。目前研究最多的醇类燃料电池主要包括甲醇燃料电池和乙醇燃料电池等，其中甲醇燃料电池被人们最早的发现并研究投入生产使用，但由于甲醇本身固有的有毒等化学性质可以致使双目失明等情况的出现，所以最近科研方向已经逐渐向绿色对人体伤害小的乙醇燃料电池发展[9-10]。虽然现在已有一些醇类的燃料电池上市投入使用，但是醇类燃料电池还存在一些问题正待解决，如催化剂的选择、催化剂载体的选择、电解质膜的选择以及如何降低成本等一系列的问题。目前的状况离它实现大批量的市场使用还有一大截的距离，所以说醇类燃料电池的发展还有待进步与发展。
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