有机溶胶法制备Pt/C催化剂性能影响因素研究

摘要

低温燃料电池如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)具有启动快速、能量转换效率高、零排放、无噪音等优点,被认为是最有可能应用于车辆和其他移动用途的一类燃料电池,其研究受到了世界各国政府和科研机构的极大重视。电催化剂是低温燃料电池的关键材料。其制备技术为燃料电池领域的重要研究课题。PEMFC和DMFC目前使用的催化剂主要为铂基催化剂,铂为稀有的贵金属,通过探索新的制备技术制备高性能的催化剂来降低铂金属的使用量,可以有效节约资源、降低成本,对于推进燃料电池技术的发展和商业化进程具有重要意义。 本文研究了一种制备燃料电池催化剂的高压有机溶胶法,考察了载体的处理对于载体本身性能的改变以及对于催化剂性能的影响；考察了各种制备条件对于催化剂性能的影响；采用优化的条件制备了活性组分高度分散的高性能燃料电池催化剂,并对催化剂的活性进行了考察,对催化剂的结构进行了表征。 通过对碳载体的预处理的研究,我们得到如下结果：(1)用适当浓度的H2O2和HNO3混合溶液对碳粉进行处理,金属前驱体吸附率增加,Pt金属粒子的分散度变好,Pt/C催化剂性能增强；(2)碳粉进行500℃热处理后,拥有更大的比表面积,制备的Pt/C催化剂活性更高；(3)碳纳米管拥有纳米级管腔结构,较高的比表面积及良好的导电性能等特点,用H2O2或HNO3等对其进行处理后,制得的Pt/CNTs催化剂对甲醇氧化的电催化活性优于Vulcan XC-72作为载体的Pt/C催化剂。 关于催化剂制备条件对催化剂的性能影响,我们发现：(1)N2气氛保护下还原制得的Pt/C催化剂的活性表面积和甲醇氧化电流密度比空气中还原得到的Pt/C催化剂大；(2)140℃为较合适的还原温度,在此温度下制备的催化剂具有较小的颗粒度,较低的结晶度和较大的晶胞参数；(3)pH值大于10制得的催化剂具有较高的电化学活性比表面积。随着pH值和OH-浓度的增加,H2PtCl6更容易被还原成沉淀的形式附着在碳黑表面上；(4)120℃下反应8h制备得到的Pt/CNTs粒径较小、活性表面积较大、甲醇氧化活性较高。 本文的研究结果对于完善制备高性能催化剂的有机溶胶技术,对于有关低温燃料电池催化剂的理论探索和应用研究均具有一定的参考价值。并且所提出的高压有机溶胶法制备燃料电池催化剂是一种制备超高分散和高性能催化剂的新方法,这将为低温燃料电池催化剂的改进和研制提供新的方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1燃料电池

1.1.1燃料电池的研究意义

1.1.2燃料电池的历史

1.1.3燃料电池的分类

1.1.4燃料电池的应用

1.2燃料电池催化剂

1.2.1燃料电池催化剂概述

1.2.2燃料电池催化剂的制备技术及其研究进展

1.3碳载体材料在低温燃料电池催化剂中的重要性及国内外研究进展

1.4燃料电池催化剂目前的不足以及燃料电池技术对催化剂的期待

1.5本课题的背景／目标以及主要研究内容

第二章实验部分

2.1主要仪器和原料

2.1.1原料及试剂

2.1.2主要仪器

2.1.3溶液的配制

2.2碳载体的处理

2.2.1碳黑的氧化处理

2.2.2碳黑的热处理

2.2.3离子交换法测量H2PtCl6的吸附量

2.3溶胶法和高压有机溶胶法制备催化剂

2.4催化剂的电化学评价

2.4.1测试电极制备

2.4.2电化学测试

2.5催化剂的燃料电池评价

2.6催化剂的表征

2.6.1比表面积测定

2.6.2透射电子显微镜分析

2.6.3 XPS分析

2.6.4 XRD分析

第三章碳黑及纳米碳管的处理对其性能的影响研究

3.1碳黑的氧化处理对其性能的影响

3.1.1碳黑的氧化处理对其表面结构的影响

3.1.2碳黑的氧化处理对其比表面积及孔径分布的影响

3.1.3碳黑的氧化处理对金属的分散度的影响

3.2碳黑的热处理对其性能的影响

3.2.1碳黑的热处理对其结构的影响

3.2.2碳黑的热处理对Pt／C催化剂性能的影响

3.3纳米碳管的处理

3.4有机溶胶法制备的Pt／CNTs和Pt／C催化剂的比较

3.5小结

第四章制备条件对Pt／C和Pt／CNT催化剂性能的影响研究

4.1制备条件对Pt／C催化剂性能的影响研究

4.1.1还原环境气氛的影响

4.1.2还原温度的影响

4.1.3不同反应时间的影响

4.1.4不同起始还原pH值的影响

4.2优化条件下Pt／C催化剂与商品催化剂的比较

4.3制备条件对Pt／CNT催化剂性能的影响研究

4.3.1不同反应温度的影响

4.3.2不同Pt载量对Pt／CNT的性能的影响

4.3.3不同分散溶剂的影响

4.4在线测定的膜电极的特征交流阻抗谱及电化学行为解析

4.5小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢