基于PANI-Pt納米陣列的有序膜電極研究.pdf

1、在一些電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置中，氧還原過(guò)程是其效率的主要制約步驟。例如在燃料電池氧還原反應(yīng)過(guò)程中，極化損失占整個(gè)電池反應(yīng)過(guò)程損失的76％。此外，氧還原所需要的貴金屬催化劑（成本）也是制約這類(lèi)電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置實(shí)際應(yīng)用的重要因素。例如燃料電池中發(fā)生氫氧化過(guò)程的陽(yáng)極僅需0.05mg/cm2的貴金屬鉑，而在目前商業(yè)化的電極中發(fā)生氧還原過(guò)程的陰極需要的鉑載量為0.4mg/cm2,與美國(guó)能源部關(guān)于整個(gè)電極（包括陰極和陽(yáng)極）鉑載量要控制在0.125mg

2、/cm2的目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。
　　為提高電極的氧還原反應(yīng)性能，催化劑在電極表面形成定向納米陣列結(jié)構(gòu)的有序陣列電極逐漸發(fā)展起來(lái)。其中3M公司開(kāi)發(fā)的基于納米結(jié)構(gòu)薄膜的陣列電極（NSTF,Nanostructure Thin Film）為代表的有序電極顯示出優(yōu)異的電輸出性能，在陰極鉑載量低至0.15mg/cm2時(shí)其電性能輸出與傳統(tǒng)Pt/C(鉑載量0.4mg/cm2)電極的電性能輸出相當(dāng)。因此有序陣列電極作為下一代電極顯示出較好的潛力。本論文

3、通過(guò)以PANI-Pt(聚苯胺－鉑)納米陣列為核心，展開(kāi)有序膜電極的研究工作，主要研究進(jìn)展如下：
　　(1)采用階梯電流法電聚合可控制備聚苯胺有序納米陣列。根據(jù)聚苯胺電聚合反應(yīng)方程式中各影響參數(shù)，選取了反應(yīng)物中高氯酸，苯胺濃度，以及電聚合過(guò)程中電電流密度和電聚合時(shí)間這四個(gè)影響因素，考察不同條件下聚苯胺納米有序陣列的直徑，根密度以及長(zhǎng)度等各參數(shù)的變化情況，推斷出階梯電流法電聚合聚苯胺有序納米陣列的形核生長(zhǎng)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)高氯酸濃度以及電聚合

4、時(shí)間控制著聚苯胺納米有序陣列的形核，若高氯酸濃度低，則無(wú)法形核，電聚合時(shí)間控制形核數(shù)以及核的生長(zhǎng)。另外，苯胺濃度和電聚合電流密度掌控和聚苯胺納米有序陣列的生長(zhǎng)情況，若苯胺濃度過(guò)低，生長(zhǎng)受抑制，無(wú)法形成陣列，若電流密度過(guò)大，聚苯胺納米纖維生長(zhǎng)過(guò)快，快速交聯(lián)，成致命網(wǎng)狀膜。制備出以直徑33nm，長(zhǎng)度180nm，根密度244（1/?m2）為代表的聚苯胺納米有序陣列。
　　(2)研究了在玻碳電極表面電沉積鉑的過(guò)程。在玻碳電極上以不同的過(guò)電

5、勢(shì)恒電壓電沉積鉑，發(fā)現(xiàn)得到的鉑顆粒尺寸較大，均大于10nm，主要原因是由于其平面結(jié)構(gòu)的低表面積引起的低形核位點(diǎn)所決定的。因此，改變其幾何形貌，有利于增加形核位點(diǎn)，制備小尺寸的鉑納米顆粒。400mV過(guò)電勢(shì)下，電沉積鉑接近連續(xù)形核，由擴(kuò)散控制生長(zhǎng)。
　?。?）采用400mV過(guò)電勢(shì)恒電壓電沉積鉑納米顆粒到聚苯胺有序納米陣列上，制備出PANI-PtED(電沉積技術(shù)制備)有序納米陣列電極。PANI-PtED有序納米陣列電極其長(zhǎng)度從184～2

6、05nm，根密度在89～136(1/μm2)，直徑范圍為52～69nm。PANI-PtED有序納米陣列電極顯示出較高的電化學(xué)活性和高電勢(shì)穩(wěn)定性（0.65V），極限電流密度在6mA/cm2附近，高電勢(shì)20000s損耗小于20%，比活性和質(zhì)量活性最高達(dá)到718.36μA/cm2pt和0.0771A/mgpt。
　?。?）采用磁控濺射技術(shù)，成功制備出PANI-PtSD(磁控濺射技術(shù)制備)有序納米陣列電極。制備出的PANI-PtSD有序納

7、米陣列電極其長(zhǎng)度從190～219nm,根密度在50～65(1/μm2)，直徑從77～135nm。PANI-PtSD有序納米陣列電極其比活性和質(zhì)量活性最高為65.81μA/cm2pt和0.0534A/mgpt。
　?。?）采用真空輔助浸漬技術(shù)將磷鎢酸和碳酸銫引入到硬模板反蛋白石技術(shù)制備的三維有序大孔氧化硅結(jié)構(gòu)中，制備出[3DOM/Cs2.5H0.5PW]有序電解質(zhì)膜。[3DOM/Cs2.5H0.5PW]有序電解質(zhì)膜具有電導(dǎo)率高、電導(dǎo)