質(zhì)子交換膜燃料電池抗SO2-CO中毒催化劑的制備及其性能研究.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以化石能源（煤、石油、天然氣等）為主的消費(fèi)模式對(duì)資源和環(huán)境造成巨大的壓力。研發(fā)應(yīng)用新的可持續(xù)潔凈能源能有效保障國(guó)家能源安全和人民生活水平。質(zhì)子交換膜燃料電池具有發(fā)電效率高、無(wú)污染、噪音小、氫燃料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在固定電站、車載電源、便攜式電源、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，得到了世界各國(guó)政府高度重視。目前影響質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的一個(gè)關(guān)鍵因素是催化劑的中毒和失效，燃料和氧化劑中微量的SO2和CO即可導(dǎo)致催化劑

2、活性大幅降低甚至完全失去活性。提高催化劑對(duì)SO2/CO和的電化學(xué)氧化能力，可極大改善催化劑的壽命。此外，催化劑尤其是多元催化劑制備工藝復(fù)雜，成本高企。因此，在提高催化劑活性的同時(shí)簡(jiǎn)化催化劑的制備工藝，是推動(dòng)燃料電池的商業(yè)化的重要途徑。
　　本論文首先選用無(wú)定型氧化鈰修飾Pt/C催化劑，初步探明氧化鈰的氧擴(kuò)散能力能有效提高催化劑對(duì)SO2/CO的電化學(xué)氧化能力;繼而采用三種形貌的納米氧化鈰(CeO2)晶體做載體擔(dān)載Pt制備催化劑，研究

3、氧化鈰晶體中氧空穴的含量對(duì)催化劑氧化SO2/CO的影響;最后采用混合型碳納米管擔(dān)載金屬催化劑，研究電子傳遞數(shù)量及路徑對(duì)催化劑活性氧化CO能力的影響，該方法在提高催化劑活性的同時(shí)簡(jiǎn)化了多元催化劑的制備。具體研究進(jìn)展如下:
　　(1)在制備20 wt％Pt/C催化劑過程中加入低含量的氧化鈰前驅(qū)體Ce(NO3)3。在常壓、130℃和氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下，制得的氧化鈰呈無(wú)定型狀態(tài)，顆粒的粒徑在3 nm左右。CeO2與Pt顆粒在碳載體表面高度分

4、散，沒有發(fā)生團(tuán)聚。由于含量較低，CeO2極少占據(jù)Pt顆粒表面活性位，對(duì)Pt活性的影響較小。隨著CeO2含量的增加，催化劑對(duì)CO的電化學(xué)氧化能力逐步增強(qiáng)。當(dāng)CeO2含量為6wt％時(shí)，催化劑CO氧化峰值電位降低達(dá)到60 mV。含有2wt％ CeO2的催化劑表現(xiàn)出最好的SO2電化學(xué)氧化能力，峰值電位降低了50 mV。隨著CeO2含量進(jìn)一步增加，催化劑對(duì)SO2的氧化能力降低。初步分析認(rèn)為，CeO2含量決定著其向Pt提供氧的數(shù)量，影響了催化劑的氧

5、化能力。
　　(2)采用水熱法制備了立方體、八面體、棒狀三種形貌的納米CeO2晶體并作為載體擔(dān)載不同含量的Pt(5，10，20 wt％)制備催化劑。不同形貌的CeO2晶體中的主要晶面不同，造成晶體中氧空穴含量不同。立方體CeO2晶體中因存在大量高活性的(001)晶面而含有最多的氧空穴，達(dá)到258×1011 mg-1，是棒狀氧化鈰的3倍，八面體CeO2的8倍。氧空穴的濃度與電子和氧的擴(kuò)散傳遞能力成正比，直接影響到催化劑的活性。當(dāng)立方

6、體CeO2晶體擔(dān)載20 wt％Pt時(shí)，催化劑表現(xiàn)出最好的活性，SO2氧化峰值電位與20 wt％ Pt/C相比降低了100 mV;同時(shí)，CO氧化峰電位也得到降低。
　　(3)在碳納米管和炭黑表面擔(dān)載20 wt％Pt、Pd、Ru、Au、Ag五種金屬，按一定比例兩兩混合，制得混合型催化劑，并研究其對(duì)CO氧化能力的影響。XPS、EDX等表征顯示在混合過程中金屬相沒有形成形成合金及及互修飾等結(jié)構(gòu)的多元催化劑，即混合型催化劑中各元金屬保持獨(dú)立