以石墨烯為載體的直接硼氫化鈉燃料電池陽極催化劑研究.pdf

1、硼氫化鈉(NaBH4)燃料電池具有能量密度高，陽極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)快，燃料易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易燃，且硼氫化鈉的氧化產(chǎn)物無污染、可循環(huán)利用等特點(diǎn)而引起了研究者的廣泛關(guān)注。增強(qiáng)燃料電池性能的關(guān)鍵是提高催化劑的活性。而催化劑的催化活性取決于催化劑的組成、粒徑、形狀以及其在載體表面的分布。顯然，載體是影響催化劑活性的一個(gè)重要因素。
　　石墨烯是由一個(gè)原子厚度的單層的碳原子，通過sp2雜化形成的二維苯環(huán)結(jié)構(gòu)的新型碳材料。石墨烯巨大的比

2、表面積，良好的導(dǎo)電性，廉價(jià)的成本等優(yōu)良的性能，使其成為一種有廣闊前景的燃料電池載體。因此，我們制備了以石墨烯為載體的硼氫化鈉燃料電池陽極催化劑，主要的研究內(nèi)容如下：
　　以氧化石墨和氯金酸為前驅(qū)體，硼氫化鈉為還原劑，在水相體系中，采用一步化學(xué)還原法制備了石墨烯載金(Au/G)納米復(fù)合物。通過XPS等物理測(cè)試對(duì)Au/G納米復(fù)合物進(jìn)行表征。另外，研究了不同濃度NaBH4的電解液對(duì)Au/G電極電化學(xué)行為的影響。結(jié)果表明，隨著NaBH4濃

3、度的增加，峰電流密度和材料的穩(wěn)定性都有所增加。盡管增加NaBH4濃度加速其水解，但傳質(zhì)和NaBH4氧化的動(dòng)力學(xué)也會(huì)加快，這表明在此過程中后者起主要作用。
　　以氧化石墨和氯鉑酸為前驅(qū)體，在乙二醇體系中，制備了粒徑為3nm的面心立方石墨烯載鉑(Pt/G)納米復(fù)合物。電化學(xué)測(cè)試表明，Pt/G催化劑的電化學(xué)活性面積優(yōu)于碳載鉑(Pt/C)催化劑，且在100次循環(huán)后電化學(xué)活性面積衰減更小。此外，兩種電極對(duì)NaBH4的水解并無差別，但Pt/G

4、電極上NaBH4氧化的峰電位更負(fù)，峰電流密度更大，是Pt/C上電流密度的1.35倍，表明Pt/G對(duì)NaBH4的氧化作用加強(qiáng)了。以制備的催化劑為陽極組裝成直接硼氫化鈉-過氧化氫(NaBH4-H2O2)燃料電池，Pt/G催化劑的極限電流密度和最大功率密度分別為112mAcm-2和42mWcm-2，而Pt/C催化劑其相應(yīng)的值為75mAcm-2和34mWcm-2。
　　通過改變氯鉑酸和氯金酸的摩爾比，在乙二醇體系中制備了Pt50Au50/

5、G、Pt67Au33/G、Pt75Au25/G和Pt/G納米復(fù)合物。TEM結(jié)果表明，Au粒子的加入有助于形成更細(xì)小粒徑尺寸的納米粒子。電化學(xué)測(cè)試表明，Pt75Au25/G催化劑有最大的電化學(xué)活性面積，最高的電流密度和最優(yōu)的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，只有少量的Au摻雜才能提高Pt-Au/G電極的電化學(xué)活性。以制備的催化劑為陽極組裝成的直接NaBH4-H2O2燃料電池中，Pt75Au25/G的開路電壓和最大功率密度分別為1.7789V和48mWcm