PEMFC陰極催化劑PtM-Ag-C(M=Cu,Co,Ni)的探索與研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一種可以將燃料氣氫氣和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。PEMFC的催化劑可分為陰極催化劑和陽極催化劑兩種，分別用來催化氧氣和氫氣發(fā)生電極反應(yīng)。由于PEMFC的陰極過電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽極過電位，因此陰極反應(yīng)比陽極反應(yīng)更難于進(jìn)行，所以PEMFC對(duì)陰極催化劑的電催化活性和催化劑載量的要求均高于陽極。目前使用最廣泛且成熟的陰極催化劑仍然

2、是Pt/C催化劑，但Pt作為貴金屬其儲(chǔ)量有限且非工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也較多，因此Pt作為催化劑具有較高的成本。PEMFC成本過高是阻礙其商業(yè)化推廣應(yīng)用的主要原因。目前降低催化劑成本的方法主要有低Pt合金和非Pt催化劑的研究。Pt合金的研究在降低Pt載量，提高Pt利用率方面具有重要意義，仍然屬于PEMFC陰極催化劑的研究熱點(diǎn)。近年來，二元Pt合金PtCu，PtCo，PtNi均可表現(xiàn)出對(duì)氧氣還原具有較好的催化作用。通過對(duì)Pt，Cu，Co，Ni，Ag

3、四種元素的二元相圖分析，可以發(fā)現(xiàn)可能存在均一相的三元合金。該三元合金可能對(duì)氧還原反應(yīng)具有更好的催化作用，因此本論文通過化學(xué)還原法制備出PtCuAg/C，PtCoAg/C和PtNiAg/C三個(gè)系列的陰極催化劑，分別討論Ag元素的引入對(duì)二元PtCu/C，PtCo/C和PtNi/C催化劑的影響。
　　一，對(duì)載體XC-72碳黑進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)水溶性和分散性，以及對(duì)合金顆粒的吸附作用。
　　二，PtCu/C和不同Pt：C

4、u：Ag原子比的PtCuAg/C催化劑的CV和LSV電化學(xué)測(cè)試表明，Pt：Cu：Ag原子比為3:10:1時(shí)，PtCuAg/C催化劑具有最好的催化性能。通過XRD及TEM測(cè)試可知PtCuAg/C（3:10:1）的催化劑顆粒尺寸約為3nm，且分布均勻物相單一。XPS分析表明PtCuAg/C（3:10:1）催化劑表面相較于PtCu/C催化劑含有更多的CuO，由于催化劑表面CuO會(huì)隨著CV循環(huán)而緩慢溶解，表面暴露出更多的Pt殼結(jié)構(gòu)，因此催化劑的

5、氧還原極限電流反而會(huì)增大，催化性能增強(qiáng)。對(duì)PtCuAg/C系列催化劑在700℃下熱處理之后，由其CV和LSV曲線可以看出，催化劑中的合金組分的結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，催化性能嚴(yán)重下降，Ag原子逸出至金屬表面，Pt原子被包裹于顆粒內(nèi)部，無法表現(xiàn)出催化活性。
　　三，PtCo/C和不同Pt：Co：Ag原子比的PtCoAg/C催化劑的CV和LSV電化學(xué)測(cè)試表明，Pt：Co：Ag原子比為3:10:0.5時(shí)，PtCoAg/C具有較大的開路電壓E和

6、較高的極限電流。通過XRD及TEM測(cè)試可知PtCoAg/C（3:10:0.5）的催化劑顆粒尺寸約為2-3nm，且分布均勻物相單一。XPS分析表明PtCoAg/C（3:10:0.5）和PtCo/C催化劑的表面的Co元素僅以CoO的形式存在，但PtCoAg/C（3:10:0.5）催化劑表面的CoO的活性略低，因此其表面的CoO隨著CV循環(huán)溶解速度減緩，對(duì)催化劑的穩(wěn)定性具有促進(jìn)作用，同時(shí)由于CoO的緩慢溶解，催化劑的催化性能也會(huì)進(jìn)一步提高。<

7、br>　　四，通過CV和LSV電化學(xué)測(cè)試對(duì)PtNiAg/C體系催化劑的CV和LSV電化學(xué)測(cè)試表明，Ag的引入反而會(huì)降低 PtNi/C催化劑的催化性能。PtNiAg/C系列催化劑的CV曲線中并未出現(xiàn)Ag的氧化還原峰，說明Ag元素并未出現(xiàn)在催化劑的表面，結(jié)合XRD圖譜中PtNiAg/C催化劑的衍射峰幾乎與純Pt一致，說明Ag元素被包裹在合金顆粒內(nèi)部。
　　最后，適量Ag元素的引入可以促進(jìn)PtCu/C和PtCo/C催化劑的催化活性，但會(huì)