聚合物燃料電池低鉑電催化劑制備與性能研究.pdf

1、為解決能源危機和環(huán)境污染,能源問題及其相關(guān)技術(shù)受到了極大的關(guān)注。聚合物燃料電池作為一種環(huán)境友好的能源利用技術(shù),可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。盡管近年來此領(lǐng)域中取得了很多可喜的成績,但目前在電催化劑方面,還有很多技術(shù)缺陷阻礙著其大規(guī)模商業(yè)化使用。鉑目前是聚合物燃料電池最高效的陽極(用于氫氣及甲醇等有機小分子氧化)和陰極(用于氧還原)催化劑。但鉑仍有一些亟待克服的缺點:如價格昂貴;資源有限;易于被一氧化碳、甲醇等毒化。因而,降低鉑的使用量、提

2、高催化活性和穩(wěn)定性仍是未來聚合物燃料電池催化劑發(fā)展的基本方向。本論文的工作主要圍繞如何制備高鉑利用率、高活性催化劑這一主題,采用多種方法制備低鉑催化劑。采用X-射線粉末衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、X-射線能量色散譜(EDX)等手段對催化劑結(jié)構(gòu)進行了表征。采用循環(huán)伏安法、線性掃描法、計時電流法等電化學(xué)方法研究了催化劑在酸性溶液中的氧還原反應(yīng)及甲醇氧化反應(yīng),用旋轉(zhuǎn)圓盤技術(shù)研究了氧還原反應(yīng)的機理。具體見如下的三部分:第一部分碳載PdC

3、o-核Pt-殼催化劑催化甲醇氧化核殼結(jié)構(gòu)催化劑PdCo@Pt/C的制備與表征。該催化劑的制備過程主要由兩步完成,包括有機溶膠法步驟和表面置換反應(yīng)步驟。結(jié)果表明,所制備的PdCo@Pt/C催化劑的電活性表面積(ECSA)是Pt/C催化劑的4.5倍,PtRu/C催化劑的4倍。循環(huán)伏安和計時電流測試發(fā)現(xiàn):對于甲醇氧化,該催化劑相比于Pt/C催化劑和PtRu/C催化劑,具有更好的催化活性和穩(wěn)定性。該方法有效的提高了鉑金屬在催化劑中的使用效率,制

4、備的PdCo@Pt/C催化劑有望作為聚合物燃料電池低價甲醇氧化催化劑。第二部分高效碳載Pt-PdFe催化劑催化甲醇氧化Pt-PdFe/C催化劑的制備與表征。采用置換反應(yīng)的方法將鉑沉積到碳載PdFe納米合金上,然后在300℃熱處理后得到了一種低價、高活性的甲醇氧化催化劑。電化學(xué)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn):Pt-PdFe/C催化劑具有比PtRu/C和Pt/C催化劑更大的電化學(xué)活性表面積,高達285.33m2·g-1Pt。而Pt-PdFe/C電極在催化氧化

5、甲醇過程中產(chǎn)生的單位質(zhì)量峰電流更是高達1.01A·mg-1Pt,是PtRu/C催化劑的3.5倍,是Pt/C催化劑的12.6倍。該研究進一步改進了制備低鉑催化劑方法,對減小鉑用量制備優(yōu)異的聚合物燃料電池催化劑帶來了希望。第三部分納米Pd3Fe晶種負載Pt制備氧化原核殼結(jié)構(gòu)催化劑制備和表征了一種新型核殼結(jié)構(gòu)催化氧還原Pd3Fe@Pt/C催化劑,由將鉑還原后沉積到Pd3Fe內(nèi)核上制備得到。制備過程中碳載納米Pd3Fe作為晶種,在晶種上生長還原