直接甲醇燃料电池阴极新型复合催化剂的研究

摘要

燃料电池是一种以电化学方式等温的将化学能转化为电能的发电装置。它是一种效率高、污染小、有广泛应用前景的清洁能源。直接甲醇类燃料电池因其理论能量密度高和能量转换效率高的特点备受关注。但直接甲醇燃料电池目前未能大规模的生产应用，主要原因是直接甲醇燃料电池所用的催化剂活性不高，价格昂贵。因此，研究成本低、催化活性高和选择性强的新型催化剂使其具有一定的商业应用具有重要意义。
　　 本论文的重点是直接醇类燃料电池阴极催化剂的研究。针对Pt催化剂的缺点，本论文研究了纳米碳化钨及其促增强的AuPdPt-WC/C新型复合贵金属催化剂。
　　 研究中采用间歇微波加热法制备了纳米碳化钨。间歇微波加热法具有加热温度高、反应速度快和合成催化剂颗粒小等优点。XRD结果表明形成了晶体碳化钨，SEM结果显示微波加热处理得到的碳化钨粉末分布均匀并且颗粒尺寸比较小，与普通加热干燥得到的碳化钨相比，具有明显的高比表面积。电化学测试显示制备出的碳化钨在碱性溶液中对氧还原有催化活性。
　　 本研究采用间歇微波加热法和硼氢化钠现场还原法相结合制备了碳化钨增强的AuPdPt-WC/C复合催化剂，这种催化剂在碱性环境中对氧还原的催化活性比商业Pt/C催化剂好很多，具有更正的氧还原起始电位。在复合催化剂上氧还原反应的起始电位比Pt/C催化剂有约90毫伏的正移，电流密度也较大。讨论了电解液浓度、温度和醇等因素对AuPdPt-WC/C复合催化剂催化氧还原的影响。结果表明当Au、Pd、Pt与WC的质量比为1:1:1:1时，催化剂催化氧还原的活性最高，电化学性能最好。复合催化剂催化氧还原的活性在较小浓度的碱性溶液中表现得更好，更稳定；在一定温度范围内，高温有利于提高复合催化剂催化氧还原的活性，加快氧还原反应的速度，从而提高燃料电池的工作效率。另外，在碱性溶液中AuPdPt-WC/C复合催化剂催化下的氧还原几乎不受甲醇的影响，展示出较强的抗甲醇氧化能力，这样使得AuPdPt-WC/C复合电催化剂在直接甲醇燃料电池中有很好的应用前景。
　　 本论文以碳化钨为出发点，采用简单清洁的间歇微波法和还原法相结合，成功制备出了阴极新型复合催化剂AuPdPt-WC/C，并对该催化剂的性能进行了研究。结果表明合成出的纳米碳化钨增强的AuPdPt-WC/C新型贵金属复合催化剂具有良好的氧还原催化性能，在碱性溶液中具有较强的耐甲醇氧化的能力。AuPdPt-WC/C新型贵金属复合催化剂可以作为直接甲醇燃料电池阴极催化剂而广泛应用。