碳納米纖維膜為載體直接甲醇燃料電池陽極催化劑的研究.pdf

1、隨著社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對能源的需求量越來越大。而伴隨化石燃料的廣泛應(yīng)用，環(huán)境污染卻越來越嚴(yán)重，為了改善生存環(huán)境，人類不得不尋找理想的替代能源和開發(fā)高效的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池是將持續(xù)供給的燃料的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由于其能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈污染小而備受青睞。其中，直接甲醇燃料電池由于其具有理論能量密度高、操作溫度低、電池結(jié)構(gòu)簡單、使用安全以及原料甲醇來源豐富、價格便宜、易儲藏攜帶等優(yōu)點而被備受關(guān)注，是理想的可移動電

2、源。但是，由于陽極催化劑催化效率低，以及催化劑使用貴金屬使其費用昂貴而限制了商業(yè)化。因此，提高陽極催化劑催化氧化甲醇的性能，以降低直接甲醇燃料電池的費用是目前研究工作的重點。
　　本論文通過對靜電紡絲法制備的聚丙烯腈纖維膜進行熱處理，構(gòu)建了導(dǎo)電碳納米纖維膜(CFMs)，然后以碳納米纖維膜為載體，H2PtCl6·6H2O為催化劑前體，應(yīng)用不同的制備方法將Pt粒子負(fù)載在導(dǎo)電碳納米纖維膜上，構(gòu)建了Pt/CFMs電極并研究了其催化氧化甲醇

3、的性能。
　　(1)結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和熱處理方法構(gòu)建了表面光滑、平均直徑約為150nm的長碳纖維構(gòu)成的導(dǎo)電碳納米纖維膜;用激光共聚焦拉曼光譜儀和四電極法分別測試碳納米纖維膜的拉曼譜和電導(dǎo)率。結(jié)果顯示:①本文制備的碳納米纖維膜的D/G值為1.16，遠(yuǎn)低于文獻報道的相同碳化溫度時的D/G值（1000℃時D/G為3.41，1500℃時為1.51）;②制備的碳納米纖維膜的電導(dǎo)率約為55Scm-1，與文獻中碳化溫度為2000℃時的電導(dǎo)率接近

4、(碳化溫度為1500和2000℃時，電導(dǎo)率分別為14.86和55.41Scm-1)。這可能是本文所制備的碳納米纖維直徑比文獻中報道的纖維直徑（纖維直徑范圍:200-300nm，平均直徑約250nm）小，石墨化程度高的緣故。
　　(2)比較了碳納米纖維膜和商用碳紙(CP)的物理性質(zhì)。其中:①碳納米纖維膜的比表面、孔體積和孔隙率分別為22.84m2 g-1、2.94mL g-1和65％，而商用碳紙的比表面、孔體積和孔隙率分別為4.64

5、m2 g-1、0.24mL g-1和29％。此外，商用碳紙主要存在孔徑大于2μm的微孔，而碳納米纖維膜不僅存在孔徑大于2μm(55％)的孔，而且還分布有孔徑小于2μm(45％)的孔;②碳納米纖維膜的拉伸強度、抗壓強度和彎折強度分別為12.09、16.02和38.67MPa，比商用碳紙的稍大（拉伸強度、抗壓強度和彎折強度分別為11.49、15.56和35.85MPa）。說明碳納米纖維膜滿足膜電極制備的機械強度。
　　(3)商用Pt/

6、C催化劑分別負(fù)載在碳納米纖維膜和商用碳紙上構(gòu)建Pt/C-CFMs和Pt/C-CP電極，并考察了它們對甲醇的催化氧化性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與電極Pt/C-CP相比，電極Pt/C-CFMs不僅具有較高的催化活性，而且具有較好的穩(wěn)定性。另外，動力學(xué)測試表明，與電極Pt/C-CP相比，電極Pt/C-CFMs催化氧化甲醇時交換電流較大，而電荷傳遞電阻較小。這是由于Pt/C催化劑能更好地分散于碳納米纖維膜的孔隙中，連續(xù)的碳納米纖維與Pt/C粒子有更好的接

7、觸，提高了催化劑的利用率。
　　因此，較高的電導(dǎo)率、連續(xù)的碳納米纖維以及特殊的堆積孔結(jié)構(gòu)等特點，使碳納米纖維膜有望成為高效的催化劑載體材料。
　　(4)碳納米纖維膜為載體，H2PtCl6·6H2O為催化劑前體，用循環(huán)伏安法、甲醛液相還原法、氣相還原法（還原劑分別為甲醛和甲酸蒸汽）以及乙二醇還原法等不同方法將Pt粒子負(fù)載于導(dǎo)電碳納米纖維膜上，構(gòu)建了Pt/CFMs電極并研究其催化氧化甲醇的性能。結(jié)果表明，與商用Pt/C催化劑相比

8、，電極Pt/CFMs具有較高的催化活性、較好的耐中間產(chǎn)物毒化能力以及較好的長效穩(wěn)定性。而且，動力學(xué)測試表明，與電極Pt/C-CFMs相比，電極Pt/CFMs催化氧化甲醇時交換電流較大，電荷傳遞電阻較小。這些可歸因于碳納米纖維膜具有較高的電導(dǎo)率、鉑粒子與碳纖維接觸緊密，提高了催化劑Pt的利用率。
　　(5)綜合考慮不同方法構(gòu)建的Pt/CFMs電極對甲醇的催化氧化性能，發(fā)現(xiàn):以靜電紡絲技術(shù)和熱處理技術(shù)相結(jié)合的方法制備的碳納米纖維膜為載