基于苯胺类聚合物的燃料电池催化剂研究

发布时间：2020-04-20 06:04

【摘要】：燃料电池是一项清洁、高效、适用领域广泛的发电技术。直接甲酸燃料电池是一种直接将甲酸中的化学能转化为电能的燃料电池装置。它具有理论开路电压高,安全低毒,燃料渗透率低等优点。然而,对贵金属电催化剂的依赖使甲酸电池成本居高不下。同时,阳极催化剂的失活快也影响了电池的工作寿命。本文基于苯胺类聚合物和硝酸盐类化合物,对非贵金属氧还原催化剂的原位合成工艺和电催化活性进行了探究。本文还研究了甲酸氧化反应的催化特性,并组装了直接甲酸燃料电池来检验催化剂的实际发电能力。本文以聚苯胺为碳、氮前驱体,纳米碳酸钙为造孔剂,合成了一种具有较高氧还原活性的非贵金属催化剂,并对催化剂进行了电化学分析。研究表明,使用纳米碳酸钙能够赋予催化剂多孔的结构,并增加比表面积,提升了催化活性。研究发现,在催化剂中掺杂硝酸盐,能够提升其氧还原活性。最后实验研究了热处理温度对催化活性的影响,结果显示850℃下处理得到的催化剂具有最高的氧还原峰电位。为了增强载体与过渡金属钴的结合,本文用聚邻苯二胺代替聚苯胺作为催化剂前驱体。实验证明,邻苯二胺与钴有较强的配位能力,能够形成原位合成钴氮掺杂的多孔碳催化剂。该材料具有更高的钴含量和更高的催化活性。之后对催化剂的制备工艺进行了优化。本文应用了液氮闪冻加冷冻干燥技术使前驱体中各组分分布更均匀,提高了催化剂的比表面积,还确定了引发剂和硝酸钴的最佳加入比例。制得的催化剂在0.5M硫酸中的氧还原半波电势可达0.73V(vs.RHE)。在旋转圆盘测试中,该非贵金属催化剂在硫酸中的起始氧还原电势已非常接近商业28.6%Pt/C。本文还制备了 20%Pd/XC-72催化剂,并研究了甲酸氧化反应的特性。实验发现,该反应具有极快的衰退速率。然而,催化剂在低电位下进行析氢反应,能够明显恢复其反应活性。最后,本文组建了直接甲酸燃料电池单电池装置进行了放电功率测试和极化测试。并对电池的工作条件进行了探究。阴极使用28.6%Pt/C催化剂时,在60℃下,最高功率密度可达93mW·cm-2。阴极使用聚邻苯二胺-硝酸钴多孔碳催化剂时,电池性能与10%Pt/C催化剂较接近,60℃下最高功率密度达24mW·cm-2。
【图文】：

这种设计极大地提升了燃料电池的产能效率。但ＰＥＭＦＣ的运行同时也受到质子逡逑交换膜传导能力的限制，通常只能在温度较低和水含量较高的条件下进行。逡逑ＰＥＭＦＣ的基本结构和各部分功能如图１－１和表１－２所示：逡逑００逡逑图１－１氢氧燃料电池单电池分解图逡逑表１－２邋ＰＥＭＦＣ基本组件逡逑姐件逦＼ｍ逦常见材料逡逑质子交换膜逦传导质子逦Ｎａｆｉｏｎ？邋１１２，，１１７，２１１逡逑灥层＝邋化逡逑逦气还原，同时传导质子和电子逦逡逑气体扩散层逦收集电子并让燃料和氧气通过逦破布，y纸，泡沐镍逡逑流场板使燃料和氧气，句分布，同时集石墨，不锈钢＾逡逑逦流导电逦逡逑垫片逦防止燃料和气体泄漏逦ＰＴＦＥ逦逡逑端板逦固定电堆逦不锈钢逦逡逑１．２．３．１质子交换膜逡逑质子交换膜［９］是ＰＥＭＦＣ最核心的部件。目前商业化最成功的质子交换膜仍逡逑４逡逑

Ｇｒｅｅｌｙ等？研究了邋Ｐｔ与不同过渡金属的合金的ＯＲＲ行为。他们认为，氧气逡逑在金属表面吸附的吉布斯自由能是影响ＯＲＲ活性的重要因素。其关联可用火山逡逑模型进行描述，见图１－５。通过密度泛函计算发现，在金属Ｐｔ表面，吸附氧得到逡逑第一个电子的过程和羟基离去生成水的过程，伴随着吉布斯自由能的升高，是基逡逑元反应中反应速率最低的两个步骤。逡逑９逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】

相关硕士学位论文 前1条

1 葛余俊;钴、氮掺杂多孔碳作为氧还原催化剂的研究[D];浙江大学;2015年

本文编号：2634245