質子交換膜燃料電池膜電極及催化劑的研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有清潔、高效、功率密度高、啟動快等優(yōu)點,在電動汽車、便攜式和分布式電源設備等領域具有廣闊的應用前景。但PEMFC膜電極的高成本和低穩(wěn)定性嚴重地制約了其大規(guī)模商業(yè)化應用。本文從膜電極的制備、催化層的結構取向優(yōu)化、高催化活性和高穩(wěn)定性Pt催化劑的制備等方面對PEMFC進行了研究。
　　提出了一種新的膜電極制備方法:使稀催化劑“墨水”直接在氣體擴散層上干燥制備出氣體擴散電極,然后再與膜熱壓制得膜電極。該

2、方法制備過程簡單,不需要特殊的儀器設備,催化層中的Pt載量能夠較為精確地控制,具有相同制備參數的膜電極,其放電電流-電壓曲線和功率密度曲線基本重合,實驗具有很好的重復性。催化層中的Nafion含量為30-40wt％時,電池的最大功率密度可達900mW/cm2。
　　利用電場的作用制備了結構取向的Pt/CNTs(Pt/碳納米管)催化層。在Pt/CNTs催化劑“墨水”干燥過程中施加垂直向外電場,使CNTs載體沿著電場的方向定向排列,有

3、利于提高催化層中Pt的利用效率、降低膜電極的內阻、促進反應氣體的擴散和反應生成的液態(tài)水的及時排出。與無取向結構的Pt/CNTs催化層相比,CNTs載體定向排列的催化層具有高出約30%的電池峰功率密度。
　　以耐腐蝕、導電性好、比表面積高、廉價易得的石墨納米片(GNPs)為載體制備了Pt/GNPs催化劑。針對GNPs表面的化學惰性,利用芳香環(huán)π-π堆積的原理使1-芘甲酸吸附在GNPs的表面并為Pt提供成核點,可以使沉積在GNPs表面

4、的Pt納米顆粒具有約2-3nm的均一尺寸,且空間分布均勻。通過1-芘甲酸對GNPs進行非共價修飾,所制備的Pt/GNPs催化劑具有較高的電化學比表面積和較好的電化學穩(wěn)定性。
　　使用一系列含不同苯環(huán)數和不同官能團的修飾物研究了修飾物與GNPs的π-π堆積作用力和其官能團對Pt在GNPs表面沉積的影響,并通過改變催化劑的制備條件研究了修飾物在Pt沉積過程中的作用機理。結果顯示:修飾物與GNPs的π-π作用力較強且其官能團能夠電離時才