電化學沉積Pt和PtRu顆粒及其電化學性能研究.pdf

1、燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，被認為是21世紀的最為重要的能源動力之一。其中，低溫燃料電池具有工作溫度低，啟動快，能量轉化率高等特點，是未來電動汽車、野外電站、便攜式電源的理想替代電源，是燃料電池優(yōu)先發(fā)展的類型之一。低溫燃料電池目前使用的催化劑主要為鉑基催化劑，然而鉑是價格昂貴的稀有貴金屬，使得催化劑的成本占低溫燃料電池成本的30-45％。本文的主要工作是采用電化學方法沉積鉑，探索出提高

2、鉑的利用率和鉑的電催化效果的方法，達到降低燃料電池成本的目的。
　　本文分別采用電沉積和化學沉積的方法，在摻硼金剛石(BDD)和玻璃碳(GC)材料上沉積鉑和鉑釕顆粒，并探討了低溫燃料電池的陽極鉑和鉑釕顆粒對氫解吸附和甲醇氧化的電催化性能。研究的內容和主要結論如下:
　　1)采用不同表面形貌的BDD(拋光BDD、大晶粒粗糙BDD和小品粒光滑BDD)電極作為電沉積鉑的基體材料。結果表明，相同電沉積條件下，BDD表面形貌的差異對沉

3、積產物的電催化性能有較大的影響。在粗糙BDD電極上沉積的鉑顆粒具有較好的電化學催化活性。
　　2)本文提出了一種在電沉積前對基體材料進行超聲處理的改良方法，此方法在增加基體表面粗糙度的同時，可以活化基體表面。實驗結果表明，鉑在經(jīng)過改良的BDD基體上分布的更加均勻，并且顆粒尺寸較普通BDD基體上的顆粒尺寸降低50％。改良的BDD上鉑的表面電化學活性(EAS)值可達到80-85 m2/g，是普通BDD上沉積的鉑EAS值的三倍，并接近于

4、實際應用中所需的EAS值(100-200m2/g Pt)。將超聲處理技術應用在玻璃碳電極(GCE)上，同樣可以獲得較好的效果。相同電沉積條件下，在改良GCE上可以沉積更多的納米鉑顆粒。改良型GCE-Pt的EAS值為0.397 m2/g，高于普通GCE-Pt的EAS值(0.29 m2/g)，并且其電化學穩(wěn)定性明顯高于普通GCE-Pt。
　　3)對于直接甲醇燃料電池來講，甲醇在酸性溶液中電化學氧化時，除了產生CO2外，還產生甲醛與甲酸

5、等中間產物，其中中間產物CO是使鉑催化劑中毒的主要原因，因此不宜使用單一的鉑作為電催化劑。本文分別采用同步沉積和分步沉積法在BDD上沉積鉑釕顆粒。結果表明，同步沉積BDD-PtRu電極的穩(wěn)定性高于分步沉積BDD-PtRu電極。在分步沉積BDD-PtRu電極上，釕的穩(wěn)定性較差，極易脫離BDD電極表面。并且在同步沉積BDD-PtRu電極上，甲醇氧化產生的中間產物更少，甲醇氧化的起始電位為0.24V，小于分步沉積的BDD-PtRu電極上甲醇氧

6、化的起始電位0.31V，因此同步沉積BDD-PtRu電極具有更好的催化作用。
　　4)本文研究了在BDD基體上采用化學鍍沉積鉑的方法，提出了一種新的化學鍍方法使得在非催化BDD表面上可以實現(xiàn)鉑的沉積。本方法的工作原理是利用鐵絲和BDD構成原電池，通過原電池反應使鉑首先沉積在BDD表面上，溶液中的還原劑則在具有自催化性能的鉑核上還原溶液中的鉑離子。采用次亞磷酸鈉為還原劑時，沉積產物中不僅含有鉑，還有磷和鐵元素。磷的引入是由于次亞磷酸

7、鈉還原溶液中的鉑時，磷也同時被還原造成的;鐵的沉積是由于在較高的溫度下被氧化造成的。通過AFM和SEM結果，可知沉積產物顆粒直徑尺寸保持在30-50nm，縱向高度為3nm。由于沉積產物具有較多的活性面積，因此具有較高的EAS值(95.54 m2/g)。當采用抗壞血酸為還原劑時，可以獲得純凈的鉑顆粒，并且具有較高的沉積速率。分別采用添加穩(wěn)定劑，降低化學鍍反應溫度和改變基體形貌的方法在BDD上沉積鉑。0℃條件下，在超聲波處理過的BDD基體上