石墨烯负载PtRu基直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、能量效率高等优点，在移动电源、电动汽车等领域具有广阔的应用前景。但是目前DMFC的性能和成本问题任不能满足商业化的需求，其中问题突出表现在阳极催化剂活性低、甲醇渗透等。阳极催化剂活性低的问题比较突出，导致贵金属使用量高，DMFC成本居高不下。鉴于此，本论文主要研究新型载体如石墨烯(G)、石墨烯－碳纳米管复合载体和功能化石墨烯负载的PtRu基催化剂，采用各种电化学研究方法测试催化剂催化甲醇电氧化性能，并结合各种催化剂表征手段研究催化剂的结构与其催化甲醇电氧化性能的关系。主要研究结果如下：
　　 第一部分：采用改进的Hummers法液相氧化合成氧化石墨(GO)，分别采用化学还原法和热还原法还原氧化石墨制得石墨烯CRG和TRG。TRG不易聚集，含氧基团含量比化学还原法制得的石墨烯CRG更少，还原更完全。但是TRG不易吸附PtRu纳米粒子，不能提供足够的－OH氧化Pt位上的毒化物种CO，PtRu/TRG催化剂催化甲醇电氧化活性低于PtRu/CRG催化剂；以石墨烯为载体，采用浸渍法制备了PtRu/G和PtRuMo/G催化剂。相比PtRu/G催化剂，PtRuMo/G的活性和稳定性更高。MoOx物种能够在较低电位下促进了水的解离，产生的OH物种能氧化Pt位上的CO，从而提高了催化剂的的抗CO中毒能力。
　　 第二部分：以石墨烯-碳纳米管(G-CNTs)为复合载体，采用浸渍法制备了PtRuMo/G-CNTs催化剂。结果表明，PtRuMo/G-CNTs催化甲醇电氧化的性能高于PtRuMo/G和PtRuMo/CNTs催化剂。CNTs作为隔离物、导电增强剂和造孔剂，可防止石墨烯纳米片堆积，提高复合载体的导电性，加快反应物、产物和电解质的传质，从而提高PtRuMo/G-CNTs催化剂的电化学活性表面积和催化性能。
　　 第三部分：首次以聚苯乙烯磺酸(PSS)功能化石墨烯为载体制备了PtRu/PSS-G催化剂，并与原始石墨烯负载PtRu催化剂PtRu/G的甲醇电氧化性能做了比较。结果表明，PSS功能化石墨烯负载的PtRu催化剂的电催化活性及稳定性均好于原始石墨烯负载PtRu催化剂，同时也增强了PtRu纳米粒子的分散性。
　　 本论文所制备的几种纳米结构电催化剂对甲醇的电催化氧化具有高催化活性和稳定性，同时Mo的引入提高了催化剂的活性以及抗中毒能力，降低了贵金属的含量和催化剂的成本。新型载体G-CNTs和PSS-G负载的催化剂的性能也有很大的改进，在一定程度上降低了催化剂的成本。