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一种无机盐辅助保护的碳载钯或钯铂直接甲酸燃料电池电催化剂的制

一、引言

(1)直接甲酸燃料电池（DMFC）作为一种清洁、高效的能源转换装置，近年来受到了广泛关注。其工作原理是将甲酸氧化还原反应产生的化学能直接转化为电能，具有结构简单、操作温度低、原料易得等优点。然而，传统的DMFC电催化剂存在活性低、稳定性差等问题，严重制约了其性能的提升。因此，开发高效、稳定的电催化剂对于DMFC的推广应用具有重要意义。

(2)钯基催化剂因其优异的甲酸氧化活性，被广泛用作DMFC的电催化剂。然而，钯资源的稀缺性和高昂的成本限制了其大规模应用。此外，钯基催化剂在电化学反应过程中易发生积碳和烧结，导致活性下降和寿命缩短。为了解决这些问题，研究者们尝试将钯与其他金属或非金属元素复合，或者通过表面修饰等方法来提高钯基催化剂的性能。

(3)碳材料因其独特的物理化学性质，如高比表面积、良好的导电性和化学稳定性，成为理想的电催化剂载体。碳载钯或钯铂催化剂的研究表明，碳载体可以有效地提高催化剂的分散性和稳定性，从而提高其催化活性。此外，无机盐作为一种辅助保护剂，可以通过调节电催化剂的电子结构和表面性质，进一步优化其性能。因此，本研究旨在通过制备一种新型的无机盐辅助保护的碳载钯或钯铂直接甲酸燃料电池电催化剂，以提高其催化活性和稳定性，为DMFC的实用化提供新的思路。

二、材料制备

(1)材料制备过程首先涉及碳载体的选择和制备。以活性炭为基底，通过高温碳化法制备了高比表面积的碳载体。实验中，活性炭在氮气氛围下以600℃的温度碳化2小时，得到比表面积为2000m2/g的碳载体。随后，将碳载体在空气中以800℃的温度活化2小时，进一步优化其孔结构和表面性质。

(2)钯或钯铂催化剂的负载采用化学气相沉积（CVD）方法。在CVD过程中，将碳载体置于反应器中，通入含钯或钯铂前驱体的气体混合物，并在600℃下沉积钯或钯铂。实验中，以乙二醇为还原剂，通过CVD方法负载了不同负载量的钯或钯铂催化剂。具体操作为：将碳载体置于CVD反应器中，在600℃下沉积1小时，得到不同负载量的钯或钯铂催化剂。

(3)无机盐辅助保护剂的选择和添加是提高电催化剂性能的关键步骤。实验中，选择了一种具有良好稳定性的无机盐——氧化锌（ZnO）作为辅助保护剂。将一定量的ZnO与碳载体和钯或钯铂催化剂混合，通过球磨法制备得到复合催化剂。球磨时间为2小时，以确保无机盐均匀分散在碳载体和钯或钯铂催化剂之间。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等表征手段，证实了复合催化剂的成功制备。

三、电催化剂性能表征

(1)对制备的电催化剂进行了详细的性能表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等。XRD分析结果显示，碳载体在2θ=25.4°、38.2°和44.2°处出现了特征峰，分别对应于碳的（002）、（100）和（110）晶面。钯或钯铂催化剂在2θ=38.1°、44.4°和64.4°处出现了明显的特征峰，表明了钯或钯铂的晶体结构。SEM图像显示，碳载体表面具有丰富的孔结构，有利于电催化剂的负载和活性位点的暴露。TEM图像进一步揭示了钯或钯铂纳米颗粒在碳载体上的均匀分散，粒径约为5nm。

(2)通过XPS分析，对电催化剂的化学成分和电子状态进行了详细研究。结果表明，钯或钯铂催化剂中存在Pd3d和Pt4f特征峰，分别对应于钯和铂的3d电子和4f电子的结合能。同时，ZnO辅助保护剂在电催化剂中也存在，表明其成功地负载在碳载体上。结合能分析显示，Pd3d5/2的结合能为335.1eV，Pd3d3/2的结合能为338.4eV，Pt4f7/2的结合能为177.4eV，Pt4f5/2的结合能为181.6eV，这与标准物质的结合能数据一致。

(3)电化学性能测试采用三电极体系，以饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂丝电极为对电极。在1.0MHCOOH溶液中，对电催化剂的氧化还原性能进行了循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）测试。CV曲线显示了清晰的氧化还原峰，其峰电流与电催化剂的活性有关。在CV测试中，电催化剂的氧化峰电位为0.8V，还原峰电位为0.2V，表明了良好的甲酸氧化还原活性。LSV测试中，电流密度随电位的变化曲线进一步证实了电催化剂的稳定性和催化活性。在0.5V电位下，电催化剂的电流密度达到了10mA/cm2，远高于未经辅助保护的钯或钯铂催化剂。这些结果表明，无机盐辅助保护的碳载钯或钯铂直接甲酸燃料电池电催化剂具有优异的电化学性能。

四、电化学性能测试

(1)电化学性能测试是在三电极体系下进行的，其中工作电极为待测电催化剂，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为铂丝电极。测试溶液为1.0M的