聚合物燃料电池低铂电催化剂制备与性能研究

摘要

为解决能源危机和环境污染,能源问题及其相关技术受到了极大的关注。聚合物燃料电池作为一种环境友好的能源利用技术,可以直接将化学能转换为电能。尽管近年来此领域中取得了很多可喜的成绩,但目前在电催化剂方面,还有很多技术缺陷阻碍着其大规模商业化使用。铂目前是聚合物燃料电池最高效的阳极(用于氢气及甲醇等有机小分子氧化)和阴极(用于氧还原)催化剂。但铂仍有一些亟待克服的缺点:如价格昂贵;资源有限;易于被一氧化碳、甲醇等毒化。因而,降低铂的使用量、提高催化活性和稳定性仍是未来聚合物燃料电池催化剂发展的基本方向。本论文的工作主要围绕如何制备高铂利用率、高活性催化剂这一主题,采用多种方法制备低铂催化剂。采用X-射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X-射线能量色散谱(EDX)等手段对催化剂结构进行了表征。采用循环伏安法、线性扫描法、计时电流法等电化学方法研究了催化剂在酸性溶液中的氧还原反应及甲醇氧化反应,用旋转圆盘技术研究了氧还原反应的机理。具体见如下的三部分:第一部分碳载PdCo-核Pt-壳催化剂催化甲醇氧化核壳结构催化剂PdCo@Pt/C的制备与表征。该催化剂的制备过程主要由两步完成,包括有机溶胶法步骤和表面置换反应步骤。结果表明,所制备的PdCo@Pt/C催化剂的电活性表面积(ECSA)是Pt/C催化剂的4.5倍,PtRu/C催化剂的4倍。循环伏安和计时电流测试发现:对于甲醇氧化,该催化剂相比于Pt/C催化剂和PtRu/C催化剂,具有更好的催化活性和稳定性。该方法有效的提高了铂金属在催化剂中的使用效率,制备的PdCo@Pt/C催化剂有望作为聚合物燃料电池低价甲醇氧化催化剂。第二部分高效碳载Pt-PdFe催化剂催化甲醇氧化Pt-PdFe/C催化剂的制备与表征。采用置换反应的方法将铂沉积到碳载PdFe纳米合金上,然后在300℃热处理后得到了一种低价、高活性的甲醇氧化催化剂。电化学测试结果发现:Pt-PdFe/C催化剂具有比PtRu/C和Pt/C催化剂更大的电化学活性表面积,高达285.33m2·g-1Pt。而Pt-PdFe/C电极在催化氧化甲醇过程中产生的单位质量峰电流更是高达1.01A·mg-1Pt,是PtRu/C催化剂的3.5倍,是Pt/C催化剂的12.6倍。该研究进一步改进了制备低铂催化剂方法,对减小铂用量制备优异的聚合物燃料电池催化剂带来了希望。第三部分纳米Pd3Fe晶种负载Pt制备氧化原核壳结构催化剂制备和表征了一种新型核壳结构催化氧还原Pd3Fe@Pt/C催化剂,由将铂还原后沉积到Pd3Fe内核上制备得到。制备过程中碳载纳米Pd3Fe作为晶种,在晶种上生长还原后的铂。该催化剂具有很大的电活性表面积,更高的半电位和单位质量活性电流,说明制备的Pd3Fe@Pt/C催化剂比Pt/C催化剂更好。通过Koutecky-Levìch曲线,发现在Pd3Fe@Pt/C催化剂表面进行的氧还原反应和铂表面进行的氧还原反应一样,是四电子过程。制备的Pd3Fe@Pt/C催化剂具有优异的催化氧还原的活性,可以作为低铂阴极催化剂替代商业化纯铂催化剂应用于聚合物燃料电池。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 文献综述

1. 燃料电池

1.1 概述

1.2 燃料电池的特点

1.3 燃料电池的分类

1.4 聚合物燃料电池工作原理

1.5 聚合物燃料电池的应用

1.6 聚合物燃料电池研究开发所面临的主要难题

2 聚合物燃料电池催化剂概述

2.1 铂基催化剂

2.2 非铂基催化剂

2.3 特殊结构催化剂

3. 本论文的研究背景及研究内容

3.1 研究背景

3.2 本论文研究的内容及意义

参考文献

第二章 碳载PdCo-核Pt-壳催化剂催化甲醇氧化

1. 引言

2. 实验部分

2.1 试剂与原料

2.2 试验仪器

2.3 实验方法

2.4 催化剂的结构表征

2.5 催化剂的性能测试

3. 结果与讨论

4. 结论

参考文献

第三章 高效碳载Pt-PdFe 催化剂催化甲醇氧化

1. 引言

2. 实验部分

2.1 试剂与原料

2.2 试验仪器

2.3 实验方法

2.4 催化剂的结构表征

2.5 催化剂的性能测试

3. 结果与讨论

4. 结论

参考文献

第四章 纳米Pd_3Fe 晶种负载Pt 制备氧化原核壳结构催化剂

1. 引言

2. 实验部分

2.1 试剂与原料

2.2 试验仪器

2.3 实验方法

2.4 催化剂的结构表征

2.5 催化剂的性能测试

3. 结果与讨论

4. 结论

参考文献

发表论文及申请专利

致谢