固相反应法制备硅钼酸促进阳极催化剂及膜电极的电化学研究

摘要

低温燃料电池如直接甲醇燃料电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有工作温度低，启动快，能量转化效率高等特点，是未来电动汽车、野外电站、便携式电源的理想替代电源，是燃料电池优先发展的类型之一。电催化剂，膜电极为低温燃料电池的关键材料。价格昂贵是目前低温燃料电池商业化最大的问题，这主要是电池的关键材料成本过高所引起，其中电催化剂占有很大的比重。因此发展新型催化剂制备技术，制备高活性催化剂，提高其利用效率，降低用量，对降低燃料电池成本具有重要意义。本文针对催化剂和膜电极的问题，着重研究高效阳极催化剂的制备以及膜电极电化学因素的影响。 在研究阳极催化剂方面的主要成果为：(1)首次采用固相反应法制备出粒径为3．O nm的硅钼酸促进的阳极催化剂，在30℃下，0.5 mol/L CH<,3>OH+0.5 mol/LH<,2>SO<,4>溶液中，其对甲醇的催化活性是商品催化剂的Johnson Matthey Pt/C的2.2倍；在电池测试时，PtMoSi/CNT放电性能是Johnson Matthey Pt/C的1.7倍；(2)通过加入柠檬酸钠络合剂和调节pH值，成功控制了催化剂的粒径。(3)使用碳纳米管作为载体比使用VulcanXC-72作为载体，可以制得更小粒径，更高催化活性的催化剂。(4)实验发现，添加硅钼酸可以有效地促进催化剂的活性，并且增加硅钼酸的用量更能促进催化剂对甲醇的电氧化；硅钼酸的促进机理可能是因为硅钼酸的添加加速了速率控制步骤的电子转移过程。 在研究膜电极电化学影响因素方面的主要成果为：(1)成功设计出能很好拟合DMFC和PEMFC工作状态的等效电路图；(2)发现对于DMFC，在我们的实验条件下甲醇流量以0.02 slpm最为合适；提高工作温度能够减小电池的电荷转移电阻，并且只有达到足够的温度，(CO)<,ads>物种被氧化才会出现低频电感；(3)对于PEMFC，我们设计的等效电路很好的模拟出PEMFC工作状态下的实验数据。根据分析，发现在放电过程中随着电压的下降，电池的电荷转移电阻R<,P>减小，电压降到0.728 V以下后，R<,p>下降趋势不明显，扩散电阻R<,D>随电压的下降而增大；在电池的控制因素中，电池温度的增加会显著减小电池欧姆电阻R<,Q>和电荷转移电阻R<,P>。气体压力的增加会使得电荷转移电阻R<,P>减小；加湿能减小电池的欧姆电阻，但是过高的加湿温度会增加电池的扩散电阻R<,D>。 本文研究结果对于直接甲醇燃料电池的研究有重要意义。并且所提出的固相反应法制备硅钼酸促进阳极催化剂是一种制备高效阳极催化剂的新方法，目前为止未检索到相同的文献报道，这为甲醇电催化剂的改进和研制提供了新的方案。

目录

文摘

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第一章.绪论

第二章.实验设计与表征方法

第三章.PtMoSi燃料电池阳极电催化剂的研究

第四章.固相反应法制备PtMoSi电催化剂的控制因素和电化学性质的研究

第五章固相法制备的ptMoSi／CNTs催化剂用作DMFC阳极催化剂的研究

第六章.电化学阻抗法研究燃料电池的电化学行为

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢