直接甲醇燃料电池阴极催化剂Cu/PtFe/CNTs的研究

摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）具有能量密度高，燃料来源丰富、储存与运输时安全性好，污染低，能量转化效率高等优点，作为可移动电源有着独特的优势及很大的发展潜力，因而在未来的一段时间内很有可能实现商业化。但目前使用的Pt基阴极催化剂还存在两个主要问题：一是催化活性还不能满足商业化的要求；二是甲醇渗透到阴极产生的“混合电位”导致阴极催化剂性能下降，从而降低单电池效率。因此，研究既有高氧还原活性、又有良好甲醇耐受性的新型阴极催化剂对推动DMFC商业化具有极其重要的意义。
　　 本文首先研究了DMFC的PtM/CNTs双组分催化剂，得出PtFe/CNTs是其中ORR性能最优的；然后通过向PtFe/CNTs催化剂外层负载一层惰性金属Cu，制备出既有高氧还原活性又有良好甲醇耐受性的Cu/PtFe/CNTs三组分催化剂。主要研究内容及结果包括以下几个方面：
　　 （1）用乙二醇法制备添加不同第二组分金属Fe、Ni、Cu的PtM/CNTs双组分阴极催化剂中，PtFe/CNTs催化剂的ORR活性最高，其ORR活性是Pt/CNTs催化剂的1．5倍，但PtM/CNTs的耐甲醇性能均较差。通过改变PtFe/CNTs中Fe含量来考察其对ORR活性的影响，发现其对催化剂的ORR活性有较大影响，当Fe含量为1．70％时的PtFe/CNTs催化剂的ORR活性最高。
　　 （2）将廉价惰性组分Cu负载在Pt/CNTs和PtFe/CNTs催化剂外层得到的Cu/Pt/CNTs和Cu/PtFe/CNTs催化剂都具有较高的甲醇耐受性。而通过改变金属组分负载次序的PtCuFe/CNTs与Cu/PtFe/CNTs和PtFe/CNTs催化剂的性能比较，可以得出这样的结论：在Cu/PtFe/CNTS催化剂结构中，Pt是ORR反应最主要的活性组分；Fe起到提高ORR活性的重要作用；惰性金属Cu起到提高甲醇耐受性的作用。
　　 （3）在Cu/PtFe/CNTs催化剂中，随着Cu负载量的增加，催化剂的ORR活性逐渐减弱，其甲醇耐受性逐渐增强，Cu/Pt/Fe摩尔比例为3：1：2．5时拥有较优的ORR活性和较好的甲醇耐受性，其综合性能最好。通过催化剂的稳定性测试可知，Cu/PtFe/CNTs催化剂在CV扫描500圈后，仍保持有92％的初始ORR活性和89．6％的初始电化学活性面积，具有良好的稳定性。
　　 （4）将Cu/PtFe/CNTs催化剂中的Fe替换成其他过渡金属，如Co、Ni制备成Cu/PtM/CNTs（M为过渡金属）结构的催化剂，同样具有相对较高的ORR活性和良好的甲醇耐受性，说明Cu/PtM/CNTs这样的结构具有普遍适用性，它可用其他可以提高Pt组分ORR活性的过渡金属替代Fe，制备的催化剂拥有同样优良的综合性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 本课题研究的背景和意义

1.2 直接甲醇燃料电池工作原理及研究现状

1.2.1 直接甲醇燃料电池工作原理

1.2.2 直接甲醇燃料电池研究现状

1.2.2 直接甲醇燃料电池存在的问题

1.3 直接甲醇燃料电池阴极催化剂

1.3.1 直接甲醇燃料电池的阴极反应机理

1.3.2 直接甲醇燃料电池阴极催化剂的研究

1.4 DMFC阴极催化剂研究面临的问题

1.5 本课题研究目的及内容

第二章 实验部分

2.1 化学试剂及仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3 催化剂的制备

2.2 催化剂性能评价

2.2.1 玻碳电极的清洗

2.2.2 催化剂电极的制备

2.2.3 电化学性能测试

2.3 催化剂的表征

2.2.1 透射电镜表征(TEM)

2.2.2 扫描电镜表征(SEM)

2.2.3 元素分析(EDX)

2.2.4 X射线衍射(XRD)

2.2.5 电子探针显微分析(EPMA)

2.2.6 XPS表征

2.2.7 循环伏安(CV)

2.2.8 参与反应电子数确定

2.2.9 原子吸收光谱测定(AAS)

第三章 PtM双组分阴极催化剂的研究

3.1 引言

3.2 制备方法对催化剂性能的影响

3.2.1 催化剂的制备

3.2.2 不同制备方法的催化剂组分含量的表征

3.2.2 不同制备方法的催化剂电化学性能测试

3.2.2 pH值对乙二醇法还原Fe的影响

3.3 PtM/CNTs阴极催化剂的性能比较

3.3.1 PtM/CNTs催化剂的制备

3.3.2 PtM/CNTs催化剂的表征

3.3.3 PtM/CNTs催化剂的性能测试

3.4 不同Fe含量对催化剂性能的影响

3.4.1 不同Fe含量催化剂的制备

3.4.2 不同Fe含量催化剂的表征分析

3.4.3 不同Fe含量催化剂的电化学性能分析

3.5 本章小结

第四章 Cu/PtFe/CNTs三组分阴极催化剂的研究

4.1 引言

4.2 金属组分负载次序对阴极催化剂性能的影响

4.2.1 金属组分不同负载次序催化剂的制备

4.2.2 金属组分不同负载次序催化剂的性能测试

4.3 Cu/PtFe/CNTs阴极催化剂的研究

4.3.1 Cu/PtFe/CNTs催化剂的制备

4.3.2 Cu/PtFe/CNTs催化剂的表征

4.3.3 Cu/PtFe/CNTs催化剂的催化性能测试

4.3.4 各金属组分在Cu/PtFe/CNTs催化剂中的作用

4.3.5 不同Cu含量对Cu/PtFe/CNTs催化剂的影响

4.3.6 Cu/PtFe/CNTs催化剂的稳定性测试

4.3.7 Cu/PtFe/CNTs催化剂的ORR反应机理评价

4.4 Cu/PtM/CNTs催化剂的研究

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢