新型載體電催化劑用于直接甲醇燃料電池的研究.pdf

1、催化劑的高成本、低穩(wěn)定性是阻礙燃料電池產(chǎn)業(yè)化的主要因素。影響催化劑性能的關(guān)鍵因素之一是催化劑載體,它具有支撐金屬顆粒、導(dǎo)電等特殊作用。合適的催化劑載體必須滿足導(dǎo)電性好、電化學(xué)穩(wěn)定性好、利于傳質(zhì)、能增強(qiáng)金屬.載體之間的相互作用力等要求。因此,功能化催化劑載體、增強(qiáng)金屬與載體之間作用力,對于提高催化活性和穩(wěn)定性具有重要意義。
　　 本文以功能化催化劑載體為手段,提高燃料電池催化劑性能為目標(biāo),采用交替微波乙二醇技術(shù)高效快速制備Pt/C

2、、Pd/C、Pt/CNTs、Pt-WC/C、PdFe-WC/C等系列催化劑。采用交替微波法制備了納米級WC,并采用交替微波H2O2技術(shù)處理碳納米管(CNTs)使其功能化。對催化劑及載體的物理化學(xué)及電化學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。主要工作總結(jié)如下:
　　 (1)采用交替微波乙二醇技術(shù)合成了Pt/CNTs,其中以乙二醇作為分散劑、還原劑和微波吸收介質(zhì)。采用5s-ON/5s-OFF微波加熱方式進(jìn)行高溫還原,詳細(xì)研究了加熱時間對于催化劑粒

3、徑、電化學(xué)面積、Pt的利用率、氧還原活性的影響。結(jié)果表明,Pt的粒徑隨著加熱時間的延長而增大；電化學(xué)面積和Pt的利用率隨著加熱時間的延長而減小。氧還原活性測試結(jié)果顯示加熱20次時Pt/CNTs對氧的還原活性最好,氧還原起始電位接近1.0 V。其它的催化劑對氧還原的活性均隨著加熱時間的延長而降低。
　　 (2)聯(lián)用HF處理和交替微波H2O2技術(shù)處理CNTs,并采用FTIR、Raman等手段分析了CNTs的表面狀態(tài)。結(jié)果顯示,HF處

4、理部分破壞了CNTs的石墨化結(jié)構(gòu),H2O2的引入能使CNTs表面產(chǎn)生含氧官能團(tuán),而且石墨化程度與加熱方式有關(guān)。CNTs經(jīng)過HF和H2O2雙重處理后更適合用作催化劑載體,特別是采用10s-ON/20s-OFF的方式進(jìn)行氧化處理的CNTs載Pt催化劑對甲醇氧化和氧還原具有更高的活性,比CNTs-HF、CNTs-H2O2、CNTs載Pt催化劑有更高的電化學(xué)穩(wěn)定性。
　　 (3)采用交替微波法和傳統(tǒng)的連續(xù)微波加熱法制備了納米級WC顆粒。

5、從加熱曲線可知,在交替微波加熱過程中,體系溫度可以通過改變微波加熱時間和馳豫時間來控制,從而可以控制納米粒子的粒徑。采用15s-ON/15s-OFF的交替微波方式加熱20次所得到的WC粉末顆粒的平均粒徑約為21.4 nm,采用持續(xù)微波加熱5 rain所得到的WC的平均粒徑約為35.7 nm。將所得到的WC采用NaOH溶液處理后能夠得到WC/C復(fù)合樣品。電化學(xué)結(jié)果顯示,處理后的WC/C用作Pt催化劑載體時顯示出較好的催化活性及穩(wěn)定性。

6、r>　　 (4)將PdFe的類Pt氧還原活性及優(yōu)良抗醇性能和WC對氧還原的促進(jìn)作用結(jié)合起來,開發(fā)了DAFCs陰極非Pt抗醇催化劑PdFe-WC/C。對其氧還原反應(yīng)的催化性能和抗醇性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并探討了其電催化機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明WC/C和Fe能增強(qiáng)Pd基催化劑對于氧還原的活性。PdFe-WC/C催化劑在酸性溶液中與常用的Pt/C催化劑顯示出相當(dāng)?shù)难踹€原活性,且具有良好的抗醇性。在醇和氧共存的情況下,充分顯示出其選擇性。PdFe-W