低铂与非铂氧还原催化剂的构筑及其性能研究

发布时间：2021-02-01 02:05

　　低温氢-氧燃料电池是一种可广泛应用于便携式和移动式电源的动力学电池,其运行具有高效和清洁的突出优点。目前燃料电池电极反应中使用最为广泛的电催化剂为碳载铂催化剂。然而Pt的自然储量低、价格昂贵、电化学稳定性差等问题严重阻碍了燃料电池的实际应用。因此,设计并开发低成本且高性能的氧还原电催化剂是燃料电池技术领域里的一项重要研究课题。因此,为了摆脱贵金属Pt的资源限制同时降低燃料电池的成本,目前研究ORR催化剂可从两方面着手:一是开发高效且稳定的低铂催化剂;二是开发Pt完全替代的非铂催化剂。基于此,针对现有体系中存在的主要问题,本文开展了如下三个方面的研究工作:第一,针对传统负载型Pt/C纳米催化剂稳定性差和活性不足的缺点,本工作将铂插层到多孔蒙脱土层间形成具有电子、质子和气体通道的多孔结构层状燃料电池低铂催化剂。该催化剂利用刻蚀的多孔蒙脱土层间纳米空间锚定纳米铂颗粒抑制纳米铂的迁移和团聚,利用蒙脱土/纳米颗粒强相互作用调变铂电子结构提高催化活性。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）等表征方法考察所制备的催化剂的形貌、结构和组成,结果表明2⁵nm的... 

【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：101 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

(A)质子交换膜燃料电池工作原理图;(B)氧还原在酸性和碱性介质中的反应途径

续驶里程达到传统车水平(燃料填充 < 5min)；低温环境适应性提高，可适应-30℃气候，车辆适用范围达到传统车水平。 所以，当前氢动力质子交换膜燃料电池汽车技术实现大规模商业化生产亟需解决的问题主要集中在加氢站的建设、提高寿命和降低成本。低温氢-氧燃料电池相对其他新型能源转换设备所表现出来的优势明显，但其大规模产业化依然面对着诸多的挑战，其主要表现在电池用催化剂的成本高和寿命短两个方面。① 成本问题目前，燃料电池电极中使用最广泛的催化剂为贵金属铂（Pt）[28, 31, 33, 36-38]。Pt在自然界中的储量低、开发难度高、价格昂贵（如图 1.2），在低温氢-氧燃料电池系统中的使用量极大，其价格占到了整个电池电堆成本的 40%以上，这也使得成件电池系统的价格居高不下。随着全球汽车保有量的不断增加，如果所有的汽车全部都使用低温氢-氧燃料电池作为动力系统，仅汽车行业对 Pt 就有数千吨的年需求量，这远远地超过了全球 Pt 的年产量。因此，为了促进燃料电池技术的发展和燃料电池汽车的实际应用，研究开发能够替代 Pt 的催化剂材料已经迫在眉睫。

重庆大学博士学位论文高分子交换膜是低温氢-氧燃料电池的核心组件，其性能直接影响到电池系统的输出。目前，PEMFC 所使用的交换膜主要是 Nafion 膜，Nafion 膜由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成，其结构稳定性好，机械强度高，质子导电率高，但是繁琐的合成步骤令其价格十分昂贵，严重限制了 PEMFC 的推广和应用[13]。AFC交换膜的发展则在探索新的合成路线、控制膜的形貌和结构、提升膜的柔性、使用温度、大规模生产以及成本控制上面临诸多问题，也限制了其实际应用。② 寿命问题

【参考文献】：
期刊论文
[1]车用燃料电池耐久性的解决策略[J]. 衣宝廉,侯明.  汽车安全与节能学报. 2011(02)
[2]质子交换膜燃料电池模型研究现状[J]. 刘志祥,毛宗强,王诚.  电池. 2004(01)
[3]氧电极催化材料的研究现状[J]. 魏子栋,李莉,李兰兰,唐致远,郭鹤桐.  电源技术. 2004(02)
[4]再生氢氧燃料电池[J]. 邵志刚,衣宝廉,俞红梅.  化学通报. 2000(03)

硕士论文
[1]质子交换膜燃料电池系统特性仿真研究[D]. 王振.山东大学 2007



本文编号：3011999