直接甲醇燃料電池關(guān)鍵材料與膜電極的研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池（DMFC）具有高的能量密度、較高的能量轉(zhuǎn)化效率、燃料儲存和使用方便、系統(tǒng)構(gòu)造簡單和反應(yīng)溫度低等特點，能滿足日益增長的移動電子產(chǎn)品對高比能移動電源的應(yīng)用需求。然而，陰陽極催化劑高的成本、慢的動力學(xué)過程，以及不足的電池壽命等限制了其商業(yè)化應(yīng)用。針對上述問題，本論文以高比表面碳載體和Pt基催化劑等燃料電池關(guān)鍵材料和核心部件膜電極(MEA)為主要研究對象，聚焦于高比表面積石墨烯氣凝膠用作催化劑載體研究，制備了高穩(wěn)定性、高貴金屬

2、載量的高活性陰極催化劑以及低鉑用量的高性能MEA陽極，考查了PtNi金屬間化合物催化劑、石墨烯氣凝膠載體等對氧還原活性和穩(wěn)定性的影響，探討了多孔陽極結(jié)構(gòu)MEA對電池功率密度和陽極PtRu催化劑利用率的影響。論文取得的主要研究結(jié)果如下：
　　(1)采用簡單、溫和的一步共還原方法，在三維結(jié)構(gòu)（3D）的石墨烯氣凝膠（GA）上負(fù)載高載量的Pt納米電催化劑(60wt.％Pt/GA)。X-射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）表征表明：

3、獲得的催化劑平均粒徑為3.2nm，且均勻分布在孔道相互連通的3D GA孔壁上，即使經(jīng)300 oC熱處理，催化劑也未發(fā)生團聚現(xiàn)象。3D石墨烯氣凝膠獨特的結(jié)構(gòu)、Pt納米粒子的均勻分布、Pt和石墨烯之間的相互作用以及Pt催化劑表面零價Pt含量的提高，導(dǎo)致Pt/GA催化劑表現(xiàn)出高的氧還原電催化活性。同時，催化劑載體3D GA強的耐腐蝕性也顯著提高了催化劑的耐久性。
　　(2)采用改進的多元醇方法制備出了60wt.%PtNi/C合金催化劑，

4、進一步退火處理得到碳載有序PtNi金屬間化合物。該催化劑的面積比活性較商業(yè)化的Pt/C催化劑提高了2.3倍；經(jīng)3000次加速耐久性測試后，Pt/C和PtNi金屬間化合物催化劑的性能衰減分別為88.92%和36.95%，PtNi金屬間化合物催化劑加速測試后的性能仍與Pt/C初始性能相當(dāng)。PtNi金屬間化合物有序的原子排布結(jié)構(gòu)以及催化劑表面零價金屬含量的提高，導(dǎo)致了碳載PtNi金屬間化合物催化劑活性和耐久性的提高。同時，碳載PtNi金屬間化

5、合物還表現(xiàn)出較好的抗甲醇氧還原活性。
　　(3)以納米MgO作為模板，在陽極微孔層和催化層中構(gòu)筑微納米傳質(zhì)孔道，調(diào)控陽極的孔隙率，顯著提升了被動式DMFC的性能。在陽極催化劑PtRu（1:1）載量為2.0mgcm-2時，常規(guī)方法制備的膜電極和多孔結(jié)構(gòu)膜電極的最大功率密度分別為30.6和43.7mWcm-2，膜電極性能提升了42.8%。當(dāng)多孔陽極催化劑PtRu（1:1）載量為1.0mgcm-2時，膜電極的最大功率密度為32.8mWc