WC增強(qiáng)燃料電池貴金屬催化劑催化性能的研究.pdf

1、直接醇類燃料電池(DAFC)具有理論能量密度和能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，在汽車動(dòng)力和便攜式電源領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。與H<,2>為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池相比，直接醇類燃料電池(DAFC)以其明顯的體積比能量?jī)?yōu)勢(shì)而倍受關(guān)注。但目前DAFC發(fā)展面臨的主要障礙之一是醇類陽(yáng)極氧化過(guò)電位太大，活化極化嚴(yán)重，需進(jìn)一步提高陽(yáng)極電催化劑的活性。DAFC距離大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)還有一些距離，這主要是因?yàn)橹苯蛹状既剂想姵氐年?yáng)極動(dòng)力學(xué)緩慢且存在催化劑毒化的問(wèn)題，另外

2、甲醇通過(guò)質(zhì)子交換膜向陰極側(cè)的滲透造成了陰極混合電位。 本研究的重點(diǎn)在于直接醇類燃料電池陰極催化劑的研究，同時(shí)也對(duì)燃料電池陽(yáng)極催化劑進(jìn)行了初步研究。目前廣泛使用的陰極催化劑是基于Pt的催化劑，存在價(jià)格高、易毒化和氧還原過(guò)電位高等缺點(diǎn)。因此我們需要研究氧還原過(guò)電位低、選擇性強(qiáng)和成本低的新型催化劑，以有利于實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)應(yīng)用。針對(duì)Pt催化劑的缺點(diǎn)，本論文研究了納米碳化鎢促進(jìn)的Pt-WC/C和 AuPd-WC/C新型復(fù)合貴金屬催化劑。

3、 用交替微波加熱法制備了納米碳化鎢，并利用后來(lái)改進(jìn)的微波爐制備出純凈的納米碳化鎢。交替微波加熱法具有加熱溫度高、反應(yīng)速度快和合成催化劑顆粒小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)控制前驅(qū)體的濃度制得WC/C和W<,2>C/WC/C兩種碳化鎢粉末。XRD結(jié)果證明形成了晶體碳化鎢。TEM 結(jié)果表明碳化鎢在碳載體上分布均勻，碳化鎢粉末顆粒大小不到 10 納米。對(duì)前驅(qū)體中鎢與碳質(zhì)量百分比為30％時(shí)的產(chǎn)物進(jìn)行HRTEM研究，結(jié)果表明此時(shí)獲得的碳化鎢是嚴(yán)格純凈的碳化鎢

4、，其晶格間距d=2.53A，證明純凈WC是沿(100)晶面生長(zhǎng)的。制備出的碳化鎢粉末只在堿性溶液中對(duì)氧還原有催化活性，并且對(duì)氧還原有很好的選擇性。 本研究結(jié)合交替微波加熱法和硼氫化鈉現(xiàn)場(chǎng)還原法制備了碳化鎢增強(qiáng)的Pt-WC/C復(fù)合催化劑，此催化劑表現(xiàn)出碳化鎢和Pt的協(xié)同作用。在酸性環(huán)境中對(duì)氧還原反應(yīng)有很好的催化活性，其催化性能要大大優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑，具有更正的氧還原起始電位以及更小的過(guò)電位。在復(fù)合催化劑上氧還原反應(yīng)的起始電位

5、有150毫伏的正移，交換電流密度提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。而且復(fù)合催化劑對(duì)氧還原的選擇性也非常好。 本工作制備了AuPd-WC/C復(fù)合催化劑。這種催化劑在酸性環(huán)境中和堿性環(huán)境對(duì)氧還原的催化活性都很好，要優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑，具有更正的氧還原起始電位以及更小的過(guò)電位。在復(fù)合催化劑上氧還原反應(yīng)的起始電位比Pt/C催化劑有近70毫伏的正移，交換電流密度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且復(fù)合催化劑在堿性溶液中的氧還原受乙醇的影響比較大，但是在酸性溶液中無(wú)

6、論是氧還原的初始電位還是電流密度受乙醇的影響都很小。這說(shuō)明在酸性溶液中AuPd-WC/C復(fù)合催化劑催化下的氧還原完全不受醇的影響；在酸性溶液中 AuPd-WC/C復(fù)合催化劑是一種選擇性很好的氧還原催化劑。本論文還研究了制備出的AuPd-WC/C復(fù)合催化劑在堿性環(huán)境中甲醇氧化反應(yīng)和乙醇氧化反應(yīng)(EOR)的性能。結(jié)果表明乙醇氧化碳化鎢納米晶體促進(jìn)的AuPd-WC/C 復(fù)合催化劑比相同條件下甲醇的性能好。乙醇氧化復(fù)合催化劑具有很高的峰電流密度

7、；初始電位為-600mV vs Hg/HgO，比相同條件商業(yè)Pt/C催化劑的初始電位要負(fù)移500多mV。復(fù)合催化劑中質(zhì)量比Au:Pd:WC=1:2:1時(shí)，催化活性最好。復(fù)合催化劑在堿性溶液中乙醇的氧化性能受溫度和醇的濃度的影響都比商業(yè)Pt/C催化劑大。對(duì)催化劑進(jìn)行計(jì)時(shí)電位性能研究，結(jié)果表明乙醇氧化Pt/C催化劑的過(guò)程中，在相對(duì)低的電流密度下就出現(xiàn)了電位的振蕩；即使在很高的電流密度下，乙醇對(duì)AuPd-WC/C復(fù)合催化劑氧化時(shí)在極化過(guò)程中沒(méi)