高效質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑的制備與電催化性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有能量轉(zhuǎn)化效率高、可以低溫運行、快速啟動、便攜、對環(huán)境友好等優(yōu)點，可用于手機、電腦、汽車、航天飛機等移動設(shè)備，也可用于分散式發(fā)電站等發(fā)電設(shè)備中。PEMFC具有巨大的應(yīng)用前景，許多國家投入大量資金對PEMFC進行研究與開發(fā)，我國也在大力發(fā)展這一領(lǐng)域，力求實現(xiàn)PEMFC的商業(yè)化。但是想要實現(xiàn)PEMFC的商業(yè)化還存在一些問題，目前PEMFC的陰陽兩極均使用Pt作為主要催化劑，尤其是影響電池整體性能的陰極反

2、應(yīng)更加需要大量的Pt來催化反應(yīng)。但是Pt作為貴金屬，在世界上的儲量有限致使其價格高昂，大大的限制了PEMFC的商業(yè)化應(yīng)用。所以開發(fā)低Pt載量、高催化活性和高穩(wěn)定性的燃料電池催化劑是燃料電池領(lǐng)域研究中的重中之重。本論文針對PEMFC的問題設(shè)計了低Pt載量的陰陽兩極催化劑，并對催化劑的性能進行了表征。
　　 (1)制備亞單原子層Au修飾Pt納米顆粒催化劑，并研究了此類催化劑對甲酸電氧化反應(yīng)的性能。我們使用欠電位沉積法將單層的Cu沉積

3、在Pt納米顆粒表面，然后使用原位置換方法用Au置換掉Cu，進而使Au原位沉積在Pt納米顆粒的表面。使用這種欠電位沉積-置換反應(yīng)兩步法可以在Pt納米顆粒表面精確沉積亞單原子層的Au，并且可以通過重復(fù)兩步法沉積過程調(diào)控沉積Au的覆蓋度。我們將Au修飾的Pt納米顆粒催化劑對甲酸電氧化反應(yīng)的催化活性與純Pt納米顆粒催化劑進行對比，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Au修飾的Pt納米顆粒催化活性在較低電位(-0.2V)下，比純Pt納米顆粒的催化活性提高了23倍。更值

4、得關(guān)注的是，Au在酸性體系下對甲酸幾乎沒有催化活性，但是隨著Au在Pt納米顆粒表面覆蓋率增大，PtAu催化劑的性能反而越來越高。這證明Au在Pt納米顆粒表面的的沉積改變了甲酸在Pt上的電氧化反應(yīng)路徑，原本連續(xù)的Pt活性表面變成分散的表面，使CO無法在Pt的分散表面上產(chǎn)生，從而減弱了Pt對CO中毒情況，增強了催化劑對甲酸電氧化的活性。我們制備的亞單原子層Au修飾Pt納米顆粒催化劑有效的提高了甲酸電氧化反應(yīng)活性，在直接甲酸燃料電池中有較好的

5、應(yīng)用前景。
　　 (2)使用光電還原法制備納米多孔金(NPG)負(fù)載Pt或PtCu合金催化劑，并研究了催化劑對氧還原反應(yīng)的催化活性。傳統(tǒng)的在NPG上沉積金屬的方法如氣液相化學(xué)鍍方法、欠電位沉積結(jié)合原位置換法等有步驟繁瑣、毒性較大、不易操作等缺點。我們設(shè)計了一種環(huán)保、易操作的光電還原法使金屬或合金沉積在NPG表面。制備原理是將NPG漂浮在含有金屬離子的溶液上，用Cu導(dǎo)線連接光催化劑與NPG。使用可見光照射光催化劑，光催化劑中產(chǎn)生的光

6、生電子隨導(dǎo)線傳導(dǎo)至納米多孔金中，使溶液中的金屬還原在納米多孔金的表面。通過形貌和電化學(xué)表征可以證明這種方法成功的將Pt或者PtCu合金沉積在納米多孔金表面，并且隨光照時間的增長，Pt或PtCu合金的量也逐漸增加。我們對商業(yè)鉑碳催化劑、NPG負(fù)載Pt催化劑和NPG負(fù)載PtCu合金催化劑進行氧還原反應(yīng)性能研究，結(jié)果顯示NPG負(fù)載Pt催化劑比商業(yè)鉑碳催化劑有更高的催化活性，原因是NPG的三維連續(xù)結(jié)構(gòu)具備優(yōu)良的導(dǎo)電性，并且Pt在NPG上良好的分