質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極及催化劑的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有清潔、高效、功率密度高、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn),在電動(dòng)汽車、便攜式和分布式電源設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但PEMFC膜電極的高成本和低穩(wěn)定性嚴(yán)重地制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。本文從膜電極的制備、催化層的結(jié)構(gòu)取向優(yōu)化、高催化活性和高穩(wěn)定性Pt催化劑的制備等方面對(duì)PEMFC進(jìn)行了研究。
　　提出了一種新的膜電極制備方法:使稀催化劑“墨水”直接在氣體擴(kuò)散層上干燥制備出氣體擴(kuò)散電極,然后再與膜熱壓制得膜電極。該

2、方法制備過程簡(jiǎn)單,不需要特殊的儀器設(shè)備,催化層中的Pt載量能夠較為精確地控制,具有相同制備參數(shù)的膜電極,其放電電流-電壓曲線和功率密度曲線基本重合,實(shí)驗(yàn)具有很好的重復(fù)性。催化層中的Nafion含量為30-40wt％時(shí),電池的最大功率密度可達(dá)900mW/cm2。
　　利用電場(chǎng)的作用制備了結(jié)構(gòu)取向的Pt/CNTs(Pt/碳納米管)催化層。在Pt/CNTs催化劑“墨水”干燥過程中施加垂直向外電場(chǎng),使CNTs載體沿著電場(chǎng)的方向定向排列,有

3、利于提高催化層中Pt的利用效率、降低膜電極的內(nèi)阻、促進(jìn)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散和反應(yīng)生成的液態(tài)水的及時(shí)排出。與無取向結(jié)構(gòu)的Pt/CNTs催化層相比,CNTs載體定向排列的催化層具有高出約30%的電池峰功率密度。
　　以耐腐蝕、導(dǎo)電性好、比表面積高、廉價(jià)易得的石墨納米片(GNPs)為載體制備了Pt/GNPs催化劑。針對(duì)GNPs表面的化學(xué)惰性,利用芳香環(huán)π-π堆積的原理使1-芘甲酸吸附在GNPs的表面并為Pt提供成核點(diǎn),可以使沉積在GNPs表面

4、的Pt納米顆粒具有約2-3nm的均一尺寸,且空間分布均勻。通過1-芘甲酸對(duì)GNPs進(jìn)行非共價(jià)修飾,所制備的Pt/GNPs催化劑具有較高的電化學(xué)比表面積和較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。
　　使用一系列含不同苯環(huán)數(shù)和不同官能團(tuán)的修飾物研究了修飾物與GNPs的π-π堆積作用力和其官能團(tuán)對(duì)Pt在GNPs表面沉積的影響,并通過改變催化劑的制備條件研究了修飾物在Pt沉積過程中的作用機(jī)理。結(jié)果顯示:修飾物與GNPs的π-π作用力較強(qiáng)且其官能團(tuán)能夠電離時(shí)才