直接甲醇燃料电池阳极反应机理及催化剂改进研究

发布时间：2017-04-14 22:17

  本文关键词：直接甲醇燃料电池阳极反应机理及催化剂改进研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：直接甲醇燃料电池（DMFC）具有高效、低温、安全及燃料储存运输方便等特点，可作为有效解决环境污染和能源危机的发电装置，在可移动电源及便携式电源领域展现出广阔的发展前景。然而其内在电化学及传质机理不明确限制了其发展。其阳极催化剂存在CO毒化问题，及其他表面吸附问题，影响催化剂的活性、稳定性。开展阳极反应机理研究可充分认识催化剂催化过程，澄清表面吸附物的动态变化，为催化剂的改善提供方向，在甲醇燃料电池的活性、寿命提高及成本降低方面做出贡献。EIS作为一种电化学暂态测量技术，其具有测量速度快，对研究对象表面状态干扰小的特点，属于交流测量范畴，能够对电极过程动力学以及表面状态进行深入探讨，已在电化学机理判断上做出了重大贡献。本工作将以交流阻抗技术作为主要测试手段，以循环伏安法和计时电流法作为辅助手段，对直接甲醇燃料电池（DMFC）的阳极反应机理，尤其是催化剂活性降低的动态过程进行探讨，并予以澄清，，以及在此基础上对催化剂改进方向进行初步探索。 首先，结合直流测量结果对所测的电化学阻抗谱进行初步分析，在此基础上，提出催化剂表面受三种吸附物状态变量的影响，分别是CO(θ1)，OH(θ2)和PtO(θ3)的覆盖度，且低电位下CO占据主导，随着电位升高OH覆盖度增大，并在更高电位下转化为PtO,基于上述覆盖度与电位的关系，根据电化学阻抗谱理论对不同电位下的阻抗表达式进行推导，进而得到对应的等效电路，并进行阻抗元件拟合，在阻抗谱分析中发现，当OH和CO覆盖度关系达到θ2＞32/39(1-θ1)时，谱图会出现负电阻，且出现负电阻时OH和CO覆盖度关系满足θ1=θ2，进而得出结论，CO与OH在催化剂表面存在竞争吸附的关系，随着电位升高，CO覆盖度减小而OH覆盖度增大，两种状态变量的相等过程，使并联支路产生振荡，直接导致了负电阻出现，且在高电位下发现OH转化为PtO以及材料腐蚀问题的出现，削弱了催化剂活性。为改进催化剂材料，可在Pt系催化剂中添加其他组分如苯胺等，减弱CO和OH在Pt活性位上的竞争关系，提高催化剂催化效率。 然后，基于上述甲醇氧化机理研究，以H2PtCl6为前驱体通过苯胺包覆合成Pt/C催化剂，采用循环伏安法、计时电流法和交流阻抗法，分别考察了在H2PtCl6与苯胺摩尔比为1:3,1:5和1:7条件下合成的催化剂的催化活性，实验结果表明当H2PtCl6与苯胺摩尔比为1:5时，合成的催化剂催化甲醇氧化时的电流密度最大，阻抗值最小。将高活性催化剂分别在400℃、600℃、800℃的温度条件下进行烧结，对其活性进行初步研究，实验结果表明在600℃下烧结的催化剂其活性有明显提高。
【关键词】：直接甲醇燃料电池 负电阻 交流阻抗 阳极催化剂 苯胺
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM911.4;O643.36
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 前言11-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 直接甲醇燃料电池（DMFC）简介12-16
• 1.1.1 燃料电池的组成及分类12-13
• 1.1.2 DMFC 的结构13-14
• 1.1.3 DMFC 的工作原理14-15
• 1.1.4 DMFC 的研究进展15-16
• 1.2 DMFC 发展中存在的难题16-17
• 1.2.1 阳极催化剂毒化问题16-17
• 1.2.2 甲醇渗透问题17
• 1.3 交流阻抗（EIS）简介及发展应用17-21
• 1.3.1 EIS 的原理17-18
• 1.3.2 EIS 的应用和解析18-21
• 1.3.3 EIS 在电池上测量方式21
• 1.4 EIS 在 DMFC 上的应用上应用现状21-25
• 1.4.1 在电池性能上的应用21-22
• 1.4.2 在关键材料性能上的应用22-24
• 1.4.3 在电化学机理上的应用24-25
• 1.5 DMFC 阳极电催化剂简介25-26
• 1.5.1 催化剂种类25
• 1.5.2 制备方法25-26
• 1.6 本文的研究思路及意义26-28
• 2 直接甲醇燃料电池阳极反应机理研究28-42
• 2.1 引言28-29
• 2.2 实验部分29-30
• 2.2.1 工作电极的制备29-30
• 2.2.3 电化学测试30
• 2.3 结果与讨论30-41
• 2.3.1 循环伏安曲线30-31
• 2.3.2 计时电流曲线31-32
• 2.3.3 交流阻抗谱32-34
• 2.3.4 阻抗模型推导34-37
• 2.3.5 等效电路拟合结果37-39
• 2.3.6 催化剂表面覆盖度的变化过程39-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 直接甲醇燃料电池阳极催化剂合成改进初探42-50
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-44
• 3.2.1 催化剂的制备43
• 3.2.2 电化学性能检测43-44
• 3.3 结果与讨论44-48
• 3.3.1 苯胺含量对催化剂活性影响44-46
• 3.3.2 烧结后催化剂活性的变化46-47
• 3.3.3 不同烧结温度对催化剂活性的影响47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 4 结论50-52
• 4.1 全文结论50-51
• 4.2 研究展望51-52
• 参考文献52-61
• 附录61-68
• 致谢68-69
• 个人简历69
• 发表的学术学位论文69-70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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7 王瑞敏;张颖颖;;直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用[J];上海汽车;2010年11期

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本文编号：306998