碳載釕硒催化劑的電池性能及其老化機(jī)理.pdf

1、電催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池正常運(yùn)行的關(guān)鍵材料之一,鉑基貴金屬電催化劑價(jià)格昂貴,且陰極氧還原反應(yīng)產(chǎn)生的過電位較大,嚴(yán)重制約燃料電池商業(yè)化。釕硒化合物具有較好的氧還原反應(yīng)催化活性,成本較鉑低,可抗有機(jī)小分子毒化,有望作為替代鉑基材料的陰極催化劑。因此,有必要探討釕硒催化劑和膜電極組的最佳制備條件,獲得最佳的電池性能和壽命,并對(duì)催化劑及膜電極組的性能影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析,可為研究和開發(fā)價(jià)格低廉、高性能和高穩(wěn)定性的非鉑陰極催化劑提供科學(xué)依據(jù)

2、。
　　本論文采用微波輔助合成法制備了碳載釕硒催化劑,考察了溶液初始pH和載體對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)組成及電催化活性的影響。利用超聲波噴涂技術(shù),不經(jīng)熱壓制備了碳載釕硒陰極催化劑/Nafion212膜/碳載鉑陽(yáng)極催化劑的膜電極組,并裝配成單電池,在65℃和常壓條件下,分別進(jìn)行了氫氣/空氣和氫氣/氧氣單電池性能測(cè)試與加速老化實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)研究了不同催化劑釕載量和Nation含量制備的膜電極組對(duì)電池性能及壽命的影響,深入分析了膜電極組的老化行為,提出

3、了釕硒陰極催化劑的老化機(jī)理。
　　結(jié)果表明,對(duì)載體進(jìn)行檸檬酸處理并控制pH=7制備的釕硒催化劑納米顆粒,大小合適,分散均勻,載體石墨化度高,其中多壁碳納米管性能優(yōu)于炭黑。當(dāng)采用釕載量0.14 mg cm-2和33％Nafion膜電極組時(shí),在氫氣/氧氣電池中,多壁碳納米管和炭黑負(fù)載的釕硒催化劑最大功率密度分別為380和336 mW cm-2,而在氫氣/空氣電池中分別為166和126 mW cm-2。在氫氣/空氣單電池中經(jīng)6000圈循

4、環(huán)老化后,多壁碳納米管和商用炭黑負(fù)載的釕硒催化劑的電池性能損失率分別為38％和64％。
　　經(jīng)過釕載量和Nafion含量?jī)?yōu)化后,炭黑負(fù)載的釕硒催化劑在釕載量0.14 mg cm-2和33％Nafion膜電極組中具有最佳的釕利用率,在氫氣/氧氣和氫氣/空氣電池中,分別達(dá)到917和2460 mW mg-1,而釕載量0.27 mg cm-2和33％Nafion的膜電極組具有最佳的功率密度,分別為190和400 mW cm-2。