低铂载量的燃料电池阴极催化剂的制备及其性能研究

发布时间：2020-05-07 03:08

【摘要】：近年来,由于化石燃料的不可再生以及对环境造成的污染,新能源成为了近期研究的热点。燃料电池由于能量转化不受卡诺循环的限制,同时对环境友好的特点,具有良好的应用前景。但燃料电池性能的影响因素很多,阴极氧还原催化剂的性能是燃料电池性能的关键问题之一,近年来也是燃料电池研究的热点。而阴极氧还原催化剂的主要研究方向是,合成铂与其他金属的合金,以有效降低金属铂的用量,同时在一定程度上提高催化剂的催化活性。本论文主要研究内容如下:(1)采用乙二醇还原法制备PtCu/C合金催化剂。乙二醇还原法具有制备步骤少、原料便宜、产物环保、制备条件温和,合成效率高等特点。通过XRD、ICP-AES、TEM、EDS、XPS等表征手段对制备的催化剂进行表征,结果表明制备的PtCu/C催化剂为合金结构。同时采用循环伏安法对催化剂的电化学性能进行表征。在室温,0.1 mol/L的HC104的酸性条件下,测得PtCu/C催化剂在0.9 V时的电化学活性面积(ESCA)为85.12 m2/gPt,优于商业化Pt/C(74.52 m2/gPt)。同时通过CO吸脱附实验,测得PtCu/C催化剂比商业化的Pt/C催化剂具有更好的抗CO中毒性能。同时,PtCu/C的质量比活性(MA)为57.78 mA/mgPt,大于商业化Pt/C(52.83 mA/mgPt),说明PtCu/C催化剂有着优异的性能。(2)由于PtCu/C合金催化剂易生长,性能良好,可有效降低Pt的用量,因此选择以PtCu/C合金催化剂为基础,来制备性能更为优异的三元合金催化剂,本论文通过实验探索,在PtCu/C合金催化剂的基础上,加入过渡金属前驱体,最后成功制备了性能更为优异的PtCuNi/C。通过XRD、ICP-AES、TEM、EDS、XPS等表征手段对合成的三元合金催化剂进行表征,结果表明PtCuNi/C催化剂具有合金结构。通过循环伏安法对催化剂的电化学性能进行表征,PtCuNi/C的活性面积为113.46 m2/gPt,是商业化Pt/C(74.52 m2/gPt)的1.5倍左右。而且PtCuNi/C的质量比活性为367.25 mA/mgPt,是商业化Pt/C的7倍左右。Cu、Ni原子的掺杂,产生晶格应变和表面电子配体效应,使Pt-Pt原子间距缩短,有利于02在催化剂表面的吸附和解离,从而提高催化剂的氧还原性能。(3)探索PtCo/C催化剂的合成方法及影响因素,比较了不同投料比的PtCo/C纳米颗粒的合成,结合旋转圆盘电极、TEM、ICP-AES等实验手段对催化剂进行筛选,和相应Pt含量的商业化Pt/C催化剂对比后,制备成MEA,组装到H2/O2燃料电池中测试性能。
【图文】：

阴极,质子交换膜,阳极,氧化剂

ＰＥＭＦＣ可以在较低的温度下工作，满足日常生活工作环境下的需求；（５）逡逑快速启动，响应时间短，缺点在于对燃料中的杂质敏感。逡逑质子交换膜燃料电池的工作原理如图１．１所示。在阳极，ＰＥＭＦＣ邋—般采用逡逑气态的氢气和液态的小分子作为燃料＃１８］，如甲酸、甲醇等。研宄最多的是甲逡逑醇燃料电池１１７＿１９］。在阴极，一般采用空气或者氧气作为氧化剂。ＰＥＭＦＣ的反应逡逑原理是燃料在阳极反应生成质子和电子，电子经外电路到达阴极，氧化剂在阴极逡逑与通过质子交换膜的质子反应在阴极表而生成水。ｉ！ｉ极反应方程式如下：逡逑阳极：逦Ｈ２邋—２ＨＷ逡逑阴极：逦］／２０２邋＋邋２Ｈ４邋＋２ｅ—邋—邋１邋ｂ0逡逑总反应：逦Ｈ２＋邋ｌ／２0２＾Ｈ：０逡逑虽然质子交换膜燃g摰绯鼐哂械透础⒌臀廴尽⒏吣芘套屎凸ぷ魑露鹊湾义系挠诺悖玅嬍币不勾嬖谝籘p问题。主要奋燃料电池技术价格过于昂贵，无法达逡逑到实际应用的水平，Ｎａｆｉｏｎ膜、含Ｐｔ催化剂的价格很岛，水ｆｔ？理反杂、酸性条逡逑件下反应慢等。因此，研宄质子交换膜燃料电池阳极和阴极的屯池反应机理，探逡逑索催化剂的作用机理尤为纸要．从而开发出更稳定、更高效的质了？交换膜燃料电逡逑池电催化剂。逡逑６逡逑

示意图,催化剂,示意图,炭黑

Ｓｒｅｅｋｕｔｔａｎ邋Ｍ．ＵｉＷ４６＇４７１等采用炭黑为载体，采用该方法制备了邋Ｐｔ／Ｃ催化剂，逡逑用聚吡咯（ＰＰｙ）优化处理，最终金属Ｐｔ粒子沉积在炭黑表面，制备的Ｐｔ／Ｃ催逡逑化剂分散均匀，且活性较高。如图１．２，邋ＰＰｙ可以对炭黑表面进行处理，减少金逡逑属Ｐｔ粒子沉淀到炭黑表面的限制区域，，使金属Ｐｔ粒子分散均匀。这种方法的扩逡逑大了三相边界，可以使Ｐｔ粒子与Ｎａｆｉｏｎ膜直接接触，减少了空间上接触的阻力，逡逑有助于提升Ｐｔ／Ｃ催化剂的性能。逡逑Ｕ”＇、逦Ｉ＊ｌ／Ｃ邋ＩＭＳ逡逑图１．２沉积－沉淀法制备Ｐｔ／Ｃ催化剂示意图逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ－ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｐｔ／Ｃ邋ｃａｔａｌｙｓｔｓ逡逑１．４．２胶体法逡逑胶体法是先在聚电解质（ＰＶＡ，ＰＶＰ等）保护剂的作用下得到种子胶体溶液，逡逑然后将金属前驱体加入到种子胶体溶液中，Ｍ后反应．生成壳。聚电解质分子体积逡逑较大，可以避免金屈纳米粒子之间的相互接触聚染成核从而有效的将纳米粒子分逡逑散。该方法的制备步骤需耍先制备衍到金屈或者金），４化物胶体溶液，之耵负载逡逑在碳载体上，得到所；丨彳的催化剂［４７１。逡逑１．４．３溶胶－凝胶法逡逑溶胶一凝胶法的原理足将金属前驱体化合物
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】