直接液體(乙醇、甲酸)燃料電池電催化劑研究.pdf

1、為了解決當前世界面臨的能源短缺和環(huán)境污染兩大難題，直接液體燃料電池以其具有燃料來源廣、能量轉(zhuǎn)化率高、低污染、儲存和運輸方便等優(yōu)點，在便攜式電源、電動機車和野外電站等領域具有廣闊的應用前景，已經(jīng)得到了世界范圍的關注和重視。但是，電極電催化劑的活性較低及高昂的價格仍是阻礙燃料電池商業(yè)化發(fā)展的關鍵問題之一。提高催化劑活性、降低貴金屬用量是推動燃料電池商業(yè)化發(fā)展的重要途徑。 為了降低燃料電池常用催化劑的用量從而降低催化劑的成本，提高催化

2、劑的電催化性能，本論文開展了用于乙醇氧化、甲酸氧化和氧還原的新型電催化劑探索研究。 從添加輔助催化劑，制備新結(jié)構(gòu)催化劑，更換新型載體等方面入手，改進了電催化劑的電催化性能，并通過傅里葉紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、能量散射光譜(EDS)、X射線衍射(XRD)、循環(huán)伏安法(CV)、線性掃描法(LSV)、計時-電流法、計時-電位法等分析測試技術(shù)，對催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)、電化學性質(zhì)等進行了詳細

3、研究。 (1)利用SiO2在酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性，將SiO2通過HF刻蝕后，采用化學還原法，制備了Pt/SiO2納米催化劑，在相同金屬催化劑載量下，以石墨片為電極，用CV、計時-電流法、計時-電位法考察了Pt/SiO2納米催化劑與商業(yè)催化劑E-TEKPt/C、E-TEK PtRu/C及自制的Pt納米催化劑在酸性介質(zhì)中對乙醇的電催化氧化性能。發(fā)現(xiàn)乙醇在Pt/SiO2催化劑上的氧化峰電流值分別是E-TEK Pt/C、E-TEKPtRu

4、/C和自制的Pt納米催化劑的3.4倍、2倍和4.4倍。而且通過500圈連續(xù)循環(huán)伏安掃描研究了催化劑的長期穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)Pt/SiO2納米催化劑具有更好的抗中毒能力和長期循環(huán)穩(wěn)定性。 (2)采用簡單研磨熱分解法以碳納米管為載體，制備了Pt-MgO-CNTs納米催化劑，通過用CV、計時-電流法、計時-電位法詳細考察了Pt-MgO-CNTs/石墨電極在堿性介質(zhì)中對乙醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明，在相等Pt負載量下，當Pt與MgO的加入質(zhì)

5、量比為4/1時，Pt-MgO-CNTS納米催化劑對乙醇的電催化氧化具有最好的電催化活性。發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過500圈連續(xù)循環(huán)伏安掃描后，乙醇氧化的峰電流值只下降為最初的84.5％，遠遠優(yōu)于Pt/CNTs催化劑的60％，說明Pt-MgO-CNTs催化劑具有很好的長期電化學穩(wěn)定性。 (3)利用碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)，通過高錳酸鉀與碳納米管直接反應，制備了一維納米結(jié)構(gòu)的MnO2-C復合催化劑，并通過CV和LSV方法考察了MnO2-C復合催化劑在堿性

6、介質(zhì)中對氧還原的電催化活性，結(jié)果表明，碳納米管：高錳酸鉀：硝酸的質(zhì)量比為20：1：4時，得到的MnO2-C復合催化劑的氧還原電催化活性最好。計算得出氧在MnO2-C/玻碳電極上電化學還原的電子數(shù)為3.4，接近于4，說明氧還原在該電極上的主要反應產(chǎn)物為H2O。 (4)采用石墨烯(G)為催化劑載體，利用三苯基膦為石墨烯與Pt納米粒子的中間連接體，經(jīng)煅燒后，制備了Pt/G納米催化劑，并通過CV和LSV考察了Pt/G納米催化劑在酸性介質(zhì)

7、中對氧還原的電催化活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同Pt負載量下，在電位為0.6 V時，Pt/G/玻碳電極的的質(zhì)量比活性達17.6 mA mg-1，是E-FEK.Pt/C/玻碳電極(2.03 mA mg-1)的8倍。依據(jù)旋轉(zhuǎn)環(huán)盤測試，得出氧在Pt/G/玻碳電極上電化學還原的電子數(shù)為3.94，說明氧還原在該電極上主要以四電子還原方式進行。 (5)采用石墨烯為催化劑載體，制備了PtPd/G納米催化劑，在0.5 M H2SO4+0.5M HCOO

8、H溶液中，考察了PtPd/G納米催化劑對甲酸的電催化氧化性能。發(fā)現(xiàn)同碳納米管做載體的催化劑相比，電位在0.35 V時，PtPd/G/玻碳電極的電流值為1.71mA，大于Pt-Pd-CNTs/玻碳電極的電流值(1.29 mA)，說明PtPd/G納米催化劑對甲酸電催化氧化的活性更好。經(jīng)長期穩(wěn)定性考察后發(fā)現(xiàn)，以石墨烯為載體的PtPd/G納米催化劑具有更好的長期穩(wěn)定性。 (6)采用犧牲Co核化學還原法，制備了PtPd納米空心球，并得到1

9、-PtPd/CNTs納米催化劑，在0.5 M H2SO4+0.5 M HCOOH溶液中，考察了1-PtPd/CNTs納米催化劑對甲酸的電催化氧化性能。發(fā)現(xiàn)同通常制備的不具有空心球結(jié)構(gòu)的2-PtPd/CNTs納米催化劑相比，1-PtPd/CNTS納米催化劑對甲酸的電催化氧化性能更高，長期穩(wěn)定性更好。并且同商用催化劑相比，發(fā)現(xiàn)1-PtPd/CNTs納米催化劑在0.35 V處出現(xiàn)的氧化鋒電流值分別是E-TEK PtRu/C的5.0倍，E-TE