直接甲醇燃料电池膜电极高活性阳极催化剂及阻醇研究

发布时间：2017-04-19 18:04

  本文关键词：直接甲醇燃料电池膜电极高活性阳极催化剂及阻醇研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现今社会人类对于能源的需求越来越高,而化石能源的储量却在不断减少,并在未来数十年后逐步走向枯竭,迫使人们寻求清洁、高效率的新能源。燃料电池作为一种新型的能源,凭借其环保高效、能量密度大、燃料来源丰富、储存携带方便等诸多优点,成为国际上的一个研究的热点。直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,简称DMFC)便是其中之一。然而随着研究的不断深入,直接甲醇燃料电池的性能始终无法达到人们的预期,与其产业化更是相距甚远,其中主要原因是由于其核心组件——膜电极(MEA)的性能无法达到要求。具体主要有两方面的原因:一是阳极催化剂的活性及稳定性较低,二是阳极的甲醇通过质子交换膜直接渗透到了阴极。本文正是在探索高活性阳极催化剂和高阻醇特性的质子交换膜方面进行了深入研究。石墨烯由于具有极高的电导率、极强的化学稳定性和超高的比表面积等优势,被认为是最有希望的催化剂载体来提高其反应活性。但目前以石墨烯为载体的催化剂存在石墨烯片易吸附堆叠,严重影响催化剂孔隙率以及整体性能的问题。本文通过建立直接甲醇燃料电池膜电极模型,重点分析了催化剂孔隙率对阳极传质和电池性能的影响,仿真结果指出随着孔隙率的增加,电化学反应活性提升,同时甲醇渗透逐渐加重。随后分别利用葡萄糖在高温下的碳化和乙酰苯胺在酸性环境下的聚合对石墨烯载铂催化剂进行修饰,发现两种方法能够明显提高阳极催化剂的孔隙率,改善石墨烯片的吸附堆叠现象,测试结果表明催化剂的活性及稳定性得到较大提升,与理论分析吻合。而后对两种石墨烯载体修饰方法的制备工艺过程进行优化,确定了催化剂达到最佳性能时的最优工艺参数。为了从最大程度上提高催化剂的孔隙率和避免石墨烯片的吸附堆叠,本文研究并制备了具有三维多孔结构的氧化石墨烯气凝胶,提出并实现了以其作为载体的具有三维多孔结构的阳极催化剂。实验结果表明该催化剂具有极高的孔隙率和良好的稳定性,尤其大大提高了对甲醇的催化氧化活性,其电化学活性面积与对甲醇的催化氧化电流密度分别达到了惊人的93.5 m2 g-1和876.5 m A mg-1Pt,活性达到了普通石墨烯担载铂催化剂的约5倍,稳定性也达到了石墨烯担载铂催化剂的3倍。在催化剂活性提高的同时,带来了孔隙率较大导致较严重的甲醇渗透问题。针对这一问题,本文系统地研究了浸渍还原法的条件参数对质子交换膜性能的影响,并在此基础上通过在质子交换膜的浸渍过程中加入电场辅助,来加快Pd离子向质子交换膜内的迁移,从而在质子交换膜内掺杂更多的Pd粒子,进一步降低甲醇的渗透。测试结果表明采用该方法进行质子交换膜的改性处理后,能够显著降低甲醇的渗透率;同时对于浸泡Pd Cl2的温度、浓度、浸泡装置两端的脉冲信号的频率,以及信号的电压幅度等浸渍参数进行了研究,确定了一系列参数的最佳值。与传统方法相比,改性后质子交换膜与电池性能得到了明显的提高。
【关键词】：直接甲醇燃料电池 阳极催化剂 石墨烯气凝胶 质子交换膜 甲醇渗透
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 课题背景12-13
• 1.2 阳极催化剂的国内外研究现状13-23
• 1.2.1 催化剂组分的研究现状与分析13-14
• 1.2.2 催化剂结构的研究现状与分析14-18
• 1.2.3 催化剂载体的研究现状与分析18-23
• 1.3 质子交换膜改性国内外研究现状23-25
• 1.4 研究的目的和意义25-26
• 1.5 论文的主要内容26-27
• 第2章 DMFC阳极催化剂模型分析及研究27-48
• 2.1 引言27
• 2.2 DMFC阳极催化剂分子模型分析及实验研究27-33
• 2.2.1 阳极催化剂分子模型仿真分析27-31
• 2.2.2 催化剂活性对比及分析31-33
• 2.3 阳极催化剂二维传质模型及分析33-47
• 2.3.1 模型建立34-40
• 2.3.2 模型求解方法及参数40-43
• 2.3.3 结果与讨论43-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 高活性阳极催化剂的制备研究48-78
• 3.1 引言48
• 3.2 使用的药品及仪器48-49
• 3.3 高活性催化剂的制备及测试方法49-52
• 3.3.1 无定形碳修饰Pt/G-C催化剂的制备49-50
• 3.3.2 聚乙酰苯胺修饰催化剂Pt/PNAA-G的制备50-51
• 3.3.3 催化剂的测试方法51-52
• 3.4 两种高活性催化剂的性能分析52-56
• 3.5 两种高活性催化剂制备参数的优化56-76
• 3.5.1 Pt/G-C催化剂制备参数的优化56-69
• 3.5.2 Pt/PNAA-G催化剂制备参数的优化69-76
• 3.6 本章小结76-78
• 第4章 氧化石墨烯气凝胶担载铂催化剂研究78-90
• 4.1 引言78
• 4.2 氧化石墨烯气凝胶的制备78-80
• 4.2.1 实验所用药品与仪器78-79
• 4.2.2 氧化石墨烯气凝胶的制备79-80
• 4.3 氧化石墨烯气凝胶载铂催化剂的制备与测试方法80-81
• 4.4 氧化石墨烯气凝胶载铂催化剂的性能研究81-89
• 4.5 本章小结89-90
• 第5章 电场辅助Pd-Nafion复合膜的浸渍还原阻醇改性研究90-112
• 5.1 引言90
• 5.2 Pd-Nafion复合膜的制备与表征90-96
• 5.2.1 Nafion膜的预处理91-92
• 5.2.2 浸渍还原法制备Pd-Nafion复合膜92-93
• 5.2.3 电场辅助I-R法制备Pd-Nafion复合膜93-95
• 5.2.4 Pd-Nafion复合膜的性能表征95-96
• 5.3 电场辅助I-R法制备Pd-Nafion复合膜性能研究96-110
• 5.3.1 Nafion膜改性前后性能对比96-98
• 5.3.2 浸渍参数对Pd-Nafion复合膜性能的影响98-103
• 5.3.3 脉冲频率对Pd-Nafion复合膜性能的影响103-105
• 5.3.4 电压幅度参数对Pd-Nafion复合膜性能的影响105-107
• 5.3.5 不同方法制备的Pd-Nafion复合膜性能比较107-110
• 5.4 本章小结110-112
• 结论112-114
• 参考文献114-126
• 攻读博士学位期间发表的论文126-128
• 致谢128-130
• 个人简历130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 唐水花;孙公权;齐静;孙世国;郭军松;辛勤;Geir Martin HAARBERG;;新型碳材料作为直接醇类燃料电池催化剂载体的评述[J];催化学报;2010年01期

2 张华;储凌;陈雨;陈航榕;;用于PEMFC的介孔碳担载铂氧化钨电催化剂的制备与表征[J];南京工业大学学报(自然科学版);2010年04期

3 赵彦春;兰黄鲜;邓彬彬;田建袅;杨秀林;王凤阳;;聚乙酰苯胺修饰碳纳米管载铂催化剂对甲醇电催化氧化[J];物理化学学报;2010年08期

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