碳化钼基质子交换膜燃料电池氢氧化阳极催化剂的研究

发布时间：2020-05-08 08:27

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)具有零排放、能量转换效率高的优点,是化石燃料和传统电池强有力的替代品。然而,事实上PEMFCs仍然无法扩大规模实现产业化,高成本是PEMFCs发展的最大阻碍。随着阴极催化剂研究取得巨大进展,阳极催化剂研究停滞不前,阳极催化剂所占成本比例逐渐升高,阳极催化剂的高成本将成为燃料电池发展的主要阻碍。因此,亟需开发制备工艺简单、成本低廉、催化活性和稳定性高的阳极催化剂,以满足PEMFCs的大规模商用要求。碳化钼具有Pt类似的催化特性,与少量Pt复合成Pt-Mo_2C复合催化剂时,不仅能大大降低Pt的使用量,还能保持高的催化活性和稳定性。本论文介绍了燃料电池阳极催化剂的研究现状及进展,主要研究了能够大幅降低Pt使用量的同时,保持高的催化活性和稳定性的碳化钼基PEMFCs氢氧化阳极催化剂的稳定可行的合成方法,并且分别探究了不同碳化钼基阳极催化剂氢氧化活性和稳定性提高的原因及机理。此外,还为高性能超低铂载量阳极催化剂的精确设计与合成提供了一种全新的思路。首先,探索了不同的氮掺杂Mo2C/C(Mo_2C/NC)合成方法,确定了简便可行的合成路径,实现了BP2000碳黑载体的氮掺杂,得到了β-Mo_2C的稳定纯相,合成了Mo_2C/NC和4%Pt-氮掺杂Mo_2C/C(Pt-Mo_2C/NC)氢氧化阳极催化剂,并分别研究了其氢氧化反应催化活性和稳定性。4%Pt-Mo_2C/NC阳极催化剂的Pt质量分数为3.42%,大幅降低Pt负载量的同时,得到了与商业化JM 20%Pt/C催化剂相近的氢氧化催化活性,1000圈CV扫描以后,LSV曲线的电流密度衰减较小,表现出良好的催化稳定性和耐久性,同时,其50cm~2 MEA组装的单电池开路电压为0.956V,阳极Pt载量为0.012mg/cm~2,最大功率密度为700mW/cm~2。其次,探索了不同的氮掺杂Mo_2C/CNT(Mo2C/CNT)合成方法,确定了简便可行的合成路径,实现了碳纳米管载体的氮掺杂,得到了β-Mo_2C的稳定纯相,合成了Mo2C/CNT和4%Pt-氮掺杂Mo2C/CNT(Pt-Mo_2C/NCNT)氢氧化阳极催化剂,并分别研究了其氢氧化反应催化活性和稳定性。4%Pt-Mo_2C/NCNT阳极催化剂的Pt质量分数为3.26%,大幅降低Pt负载量的同时,得到了与商业化JM 20%Pt/C催化剂相近的氢氧化催化活性,1000圈CV扫描以后,LSV曲线的电流密度衰减极小,表现出十分优异的催化稳定性和耐久性,同时,其50cm~2 MEA组装的单电池开路电压为0.956V,阳极Pt载量为0.012mg/cm~2,最大功率密度为792mW/cm~2。最后,经过催化剂形貌和结构的精确设计,通过简单的搅拌、程序升温还原法首次合成了氮掺杂HCS@Mo_2C(NHCS@Mo_2C)和氮掺杂HCS@Mo_2C-4%Pt(NHCS@Mo_2C-4%Pt)核壳结构氢氧化阳极催化剂,并分别研究了其氢氧化反应催化活性和稳定性。原位氮掺杂的空心碳球(NHCS)分布均匀、无团聚,粒径在200nm左右;粒径2-5nm左右的Mo_2C、Pt颗粒均匀负载在空心碳球上。NHCS@Mo_2C-4%Pt核壳结构氢氧化阳极催化剂的比表面积450m2/g,Pt质量分数为3.80%,大幅降低Pt负载量的同时,展现出比商业化JM 20%Pt/C催化剂更好的氢氧化催化活性,1000圈CV扫描以后,LSV曲线的电流密度衰减极小,表现出十分优异的催化稳定性和耐久性,同时,其50cm~2 MEA组装的单电池开路电压为0.955V,阳极Pt载量为0.012mg/cm~2(DOE阳极Pt载量的1/4),最大功率密度为877mW/cm~2,其性能可以媲美DOE报道的高Pt载量阳极催化剂MEA性能。
【图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文展路线。截止到目前，我国已经在氢能与燃料电池汽车的研究与开发上取得巨展，更加接近氢能与燃料电池汽车产业化的目标，，但是同时，燃料电池关键材核心部件的开发仍需进一步取得突破。.2 燃料电池概述.2.1 燃料电池的简介燃料电池是一种可以将燃料的化学能转换为直流电的电化学能量转换装置料电池的基本工作方式如图 1-1 所示[2]，通过外部持续的燃料和氧气/空气的，燃料和氧气/空气在燃料电池中发生电化学反应，不断地向外输出稳定优质力，与此同时，电化学反应过程中还会产生水和少量废热。

图 1-2 燃料电池发展历史时间轴[2]图 1-3 William Grove 燃料电池示意图[7]业应用尝试阶段 1932 年英国工程师 Francis T. Bac的燃料电池装置，并于 1952 年完成了世界上第一个实
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4;O643.36

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本文编号：2654404