燃料電池氣體多孔電極催化劑有效負(fù)載與穩(wěn)定化.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高效和環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)，是最有發(fā)展前途的一種電池，可廣泛用于移動(dòng)電源和便攜式電源。但是PEMFC在大規(guī)模商業(yè)化之前還需要解決催化劑價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差和利用率低等一系列問題。當(dāng)前，PEMFC中所使用的催化劑為碳載鉑基催化劑，在燃料電池的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，會(huì)因碳載體的腐蝕，Pt溶解、遷移團(tuán)聚長(zhǎng)大及Pt中毒等原因而逐漸退化。此外，傳統(tǒng)的PEMFC催化層通常由Pt/C催化劑、Nafion溶液和溶劑等成分隨機(jī)

2、混合而成，部分催化劑由于無法同時(shí)得到質(zhì)子、電子和O2而不能參與燃料電池反應(yīng)，因此改變這種催化層結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行?；谏鲜鰡栴}，本文從催化劑修飾、催化劑載體、燃料電池催化層結(jié)構(gòu)著手，探索了一系列提高催化劑穩(wěn)定性、活性和利用率的方法。
　　 首先，針對(duì)傳統(tǒng)Pt/C催化劑穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，首創(chuàng)性的將導(dǎo)電聚苯胺用于修飾Pt/C催化劑，制備了一種具有高穩(wěn)定性和高催化活性的PANI@Pt/C核/殼結(jié)構(gòu)催化劑。采用循環(huán)伏安加速壽命實(shí)驗(yàn)，結(jié)合LSV、

3、TEM和XPS考察了所制備催化劑的催化活性和穩(wěn)定性。氧還原測(cè)試結(jié)果顯示，聚苯胺和Pt之間的協(xié)同效應(yīng)可以顯著提高Pt/C催化劑的氧還原活性，PANI@Pt/C催化劑的質(zhì)量比活性和比表面比活性分別是商業(yè)化Pt/C催化劑的1.6和1.8倍。加速氧化實(shí)驗(yàn)表明PANI@Pt/C催化劑具有很好的穩(wěn)定性，經(jīng)過1500圈CV掃描后，PANI@Pt/C催化劑的電化學(xué)表面積(ECSA)僅下降了30％，而商業(yè)化Pt/C催化劑則降低了83％。XPS分析表明，聚

4、苯胺可以增強(qiáng)Pt與載體之間的結(jié)合力，抑制Pt納米粒子在載體表面的遷移、團(tuán)聚長(zhǎng)大；此外，包覆在碳載體表面的聚苯胺可以有效的阻止碳載體在燃料電池工作環(huán)境下的氧化，提高碳載體的穩(wěn)定性。
　　 其次，通過表面修飾在碳納米管表面直接引入毓基官能團(tuán)，制備了一種新型的SH-CNTs載體，利用高壓有機(jī)溶膠法制備了以SH-CNTs為載體的Pt/SH-CNTs催化劑。采用循環(huán)伏安加速壽命實(shí)，結(jié)合CV、TEM和XPS對(duì)所制備催化劑的催化活性和穩(wěn)定性進(jìn)

5、行了研究。TEM和CV測(cè)試表明，巰基可以作為Pt前軀體和Pt納米粒子的錨定中心，提高Pt納米粒子的分散能力。加速氧化實(shí)驗(yàn)表明，Pt/SH-CNTs具有很好的電化學(xué)穩(wěn)定性，經(jīng)過1500圈循環(huán)伏安掃描后，Pt/SH-CNTs的ECSA僅下降了22.3％，而Pt/pristinc-CNTs和PVCOOH-CNTs催化劑分別降低了48.1％和81.3％。XPS分析表明，巰基的引入可以增強(qiáng)Pt與載體之間的結(jié)合力，改變Pt的電子結(jié)構(gòu)，提高Pt的氧化

6、電位，從而抑制Pt納米粒子的遷移、團(tuán)聚長(zhǎng)大和溶解/再沉積。
　　 再次，采用離子交換-電還原的方法(AIEE)，制備了一種高Pt利用率的燃料電池催化電極。采用CV、SEM和單電池測(cè)試對(duì)所制備電極的催化活性和單電池性能進(jìn)行了研究。CV和SEM測(cè)試顯示，通過調(diào)控Nafion含量、離子交換-電還原次數(shù)可以有效的控制Pt納米粒子的尺寸、形狀和分散度。單電池測(cè)試表明，采用離子交換-電還原方法制備的Pt/C催化電極具有很高的催化活性和利用率

7、，在陽極Pt載量為14μg cm-2，陰極Pt載量為0.3 mg cm-2時(shí)，單電池功率達(dá)到了0.7 W cm-2是傳統(tǒng)Pt/C催化電極的2.2倍。
　　 最后，在碳納米管表面引入具有質(zhì)子傳導(dǎo)功能的磺酸基團(tuán)，制備了一種具有質(zhì)子和電子傳導(dǎo)功能的SO3H-CNTs催化劑載體，利用高壓有機(jī)溶膠法制備了以SO3H-CNTs為載體的Pt/SO3H-CNTs催化劑。采用加速氧化實(shí)驗(yàn)和單電池測(cè)試對(duì)所制備催化劑的穩(wěn)定性和催化活性進(jìn)行了研究。加速