三嵌段共聚物制备燃料电池催化剂及其催化性能的研究

发布时间：2020-05-22 02:05

【摘要】：在资源逐渐匮乏,化石燃料的过度使用、环境被严重污染的现代社会,开发使用新型可持续绿色能源成为重中之重。燃料电池,是一种能量转换效率较高且对环境比较友好的一种提供电能的装置。由于燃料电池不受卡诺循环效应影响,直接将化学能转化为电能,因而减少了途中的能量损失。因为具有环保、清洁等特殊性质,它被认为是21世纪的绿色能源,而且可能会使“氢经济”成为现实。对于直接甲醇燃料电池,所常用且相对有用的催化剂仍然是贵金属铂。但是铂基催化剂存在的一些问题也很明显,铂金属价格高昂并且容易被甲醇氧化过程产生的类CO中间体所毒化,对Pt催化剂的催化性能有所影响。因此降低催化剂的成本,提高Pt催化剂的催化活性和抗CO中毒能力,成为解决问题的关键。近些年,关于催化剂制备的新方法乙二醇(EG)还原法,对催化剂有稳定作用而且易于去除,但由于EG为较弱的还原剂,因而不适用于制备不同组合的催化剂。为了加强催化剂的电催化性能和稳定性,本工作将用三嵌段共聚物来替代EG。利用三嵌段共聚物本身的易去除、低毒和还原性等性质,设计合成了Pt基催化剂和PtRu合金催化剂。而且设计了不同pH值的催化剂对燃料电池的电催化性能和稳定性的影响。本文主要采用了液相还原法,以两种三嵌段共聚物为还原剂,以氯铂酸(H_2PtCl_6·6H_2O)、氯化钌(RuCl_3)为金属的来源,以Vulcan XC-72 Carbon作为载体,合成了Pt基以及PtRu合金催化剂。首先,使用XRD、TEM和EDS的方法对材料的特性进行了表征。再用电化学测试对燃料电池的电催化活性和稳定性做了进一步的表征,具体使用常用的电化学测试方法:循环伏安法和计时电流法。研究的具体情况如下:1.以Vulcan XC-72 Carbon为载体,用PEO_(19)-PPO_(69)-PEO_(19)(P123)作为还原剂和保护剂,制备了pH值在2—6范围的一元Pt/C催化剂。XRD结果表明,成功的合成了Pt/C催化剂;TEM结果则显示该催化剂的颗粒分布均匀且与XRD的结果相匹配。由CV和CA测试表征可以得出,pH值在2—6范围时,催化剂都对甲醇氧化有较好的作用,其中在pH值为4时Pt基催化剂明显呈现出优于其他pH值的电催化效果和较好的稳定性。2.以Vulcan XC-72 Carbon为载体,使用P123成功制备了pH值在2—4范围的二元PtRu合金催化剂。在XRD中观察到,由于各个特征峰明显右移了一些且没有Ru对应的特征峰,说明Ru被纳入了Pt的晶体结构中,成功合成了Pt Ru合金晶体。电化学测试结果则表明,与一元Pt基催化剂相比,引入Ru元素后催化剂的电催化效果明显好许多,对于抗CO毒性也有缓解作用。在pH值为3时,PtRu/C合金材料的各方面表现出的催化效果明显优于其他pH值的催化剂。3.用PEO_(132)-PPO_(50)-PEO_(132)(F108)作为还原剂和保护剂,以Vulcan XC-72 Carbon为载体,成功制备了pH值在2—4范围的一元Pt/C催化剂,这可以由XRD图谱显示的结果所证明。在CV的测试中,可以看到在pH值为4时,催化剂呈现了更好的催化效果。并且在计时电流图中可以判断燃料电池的稳定性比较好。
【图文】：

氢氧燃料电池,原理图,阳极反应,工作原理图

氢氧燃料电池工作

催化剂,样品,图像,能谱图

值为 4 时的 Pt/C 催化剂样品的 TEM 图，（a），（b）为低倍镜观察到的10 nm 观察到的图像，（d）高倍镜下观察到的图像和单个纳米颗粒的 HRT（e）图 a 对应的 EDS 能谱图2 为代表性样品 pH 值为 4 时，Pt/C 催化剂的 TEM 和 HRTEM 图对应的 EDS 能谱图。图 2-2 中（a）、（b）和（c）为催化剂的粒径分布，可以清晰地看到催化剂样品大致都表现出良好且均匀化性能与催化剂分布的均匀性是有关的[47]。在图（d）中给出了一具有代表性的高倍透射电镜图像（HRTEM），该图中呈现的 Pt 纳为 0.232 nm，与 Pt 的（111）晶面相比较是匹配的。图（e）为元）结果，在图中可以清晰的得知该样品的组成成分，其中 Cu 元素素来自 Vulcan XC-72 Carbon，Pt 来自于所制备的样品，证实了所t 元素的存在，这与上述的 XRD 及 TEM 所得到的结果一致。
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】