活性碳纖維負(fù)載納米鉑催化材料的制備.pdf

1、燃料電池由于具有高能量轉(zhuǎn)化效率、零污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來最理想的動(dòng)力能源裝置之一，其技術(shù)適用于固定能源供給和運(yùn)輸工具等技術(shù)領(lǐng)域。然而，至今為止，燃料電池仍未得到廣泛應(yīng)用。這是由于燃料電池的電極仍采用Pt/C電極催化劑，而Pt的儲(chǔ)量稀少，價(jià)格昂貴，使得燃料電池的成本居高不下，制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前，大量的研究圍繞著降低Pt的用量、提高Pt的催化效率、或開發(fā)非Pt系列催化劑展開，以達(dá)到降低燃料電池成本的目的。 其中，燃料電池

2、催化劑的載體材料對(duì)Pt的催化效率有重要影響。活性碳纖維(ACF)具有巨大的比表面積，低電阻，高的穩(wěn)定性及自身氧化還原能力等優(yōu)勢，有望成為燃料電池催化劑的良好載體材料。為此，本論文以ACF為載體，展開制備高分散、均勻分布的納米Pt顆粒的Pt、ACF催化電極材料的研究。通過制備條件的控制和ACF的改性，研究溶液條件和材料結(jié)構(gòu)對(duì)Pt的負(fù)載量及其分散性的影響，探索能夠有效控制Pt的負(fù)載量，晶粒大小及其分散性的制備技術(shù)。從而有效降低Pt的用量，提

3、高Pt的催化效率。 論文考察了溶液的pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)ACF還原吸附Pt(Ⅳ)的容量、吸附速率的影響；研究了助還原劑對(duì)ACF吸附還原Pt(Ⅳ)能力的影響；利用HNO<,3>、水合聯(lián)胺、二乙烯三胺對(duì)ACF進(jìn)行表面化學(xué)改性，研究了改性．ACF對(duì)Pt(Ⅳ)的還原吸附特征。同時(shí)，還利用掃描電鏡和透射電鏡觀察Pt在纖維上的形貌及分散情況，利用X射線衍射法估算了Pt的晶體大小，用循環(huán)伏安法表征了Pt/ACF催化劑的電化學(xué)性能

4、。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)ACF在酸性條件下比在堿性條件下顯示出更好的吸附還原能力，這是因?yàn)镻t溶液的pH值直接影響Pt(Ⅳ)的絡(luò)合形態(tài)及纖維的吸附性能。 (2)ACF在2h左右就可以達(dá)到吸附還原的平衡。當(dāng)Pt溶液的初始濃度較低時(shí)，ACF可以將其中的Pt(Ⅳ)幾乎完全地吸附在纖維上，但纖維的飽和吸附量較低，負(fù)載Pt量僅有100mg/g左右，且以離子態(tài)為主。(3)使用甲醛、水合聯(lián)胺等助還原劑可以提高Pt的負(fù)載量并促進(jìn)將Pt(Ⅳ)還原

5、成金屬單質(zhì)。通過使用助還原劑協(xié)同還原ACF還原吸附Pt，ACF對(duì)Pt的負(fù)載量可達(dá)到460mg/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，助還原劑的還原能力越強(qiáng)，其對(duì)Pt(Ⅳ)的還原速率越大，所得到的被還原的金屬Pt晶粒越大。使用濃度為40﹪的水合聯(lián)胺為助還原劑，可以將Pt高分散地負(fù)載在纖維上。 (4)熱處理過程對(duì)負(fù)載在ACF上的Pt的化學(xué)念及晶粒大小有很大影響。熱處理可以促進(jìn)ACF還原被吸附在纖維上的Pt(Ⅳ)；隨熱處理溫度的升高，Pt晶體不斷完善，晶粒逐漸增

6、長。通過控制熱處理溫度并使用適當(dāng)?shù)闹€原劑，可制得晶粒在3～23nm范圍內(nèi)高分散的Pt/ACF催化材料。 ACF的化學(xué)改性可以改變纖維表面的官能團(tuán)的種類與數(shù)量，從而改變ACF對(duì)Pt(Ⅳ)的交換吸附容量。強(qiáng)氧化劑HNO<,3>改性ACF可以使纖維表面的含氧基團(tuán)增加，ACF對(duì)PI(Ⅳ)t的還原吸附能力降低；通過使用水合聯(lián)胺和二乙烯三胺在ACF表面引入含氮基團(tuán)，ACF對(duì)Pt的吸附容量大大提高，且ACF對(duì)Pt(Ⅳ)的還原能力也相應(yīng)提高，