直接甲醇燃料电池有序功能铂基合金阳极催化剂的研究

摘要

能源的短缺和人类对能源的不合理运用，给人类自身的生存条件和自然环境造成了极大的破坏。燃料电池作为一种不经过燃烧直接以电化学方式将燃料的化学能转化为电能的发电装置，有望成为21 世纪首选的洁净、高效的发电技术。直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell）是燃料电池的一个重要的分支，以甲醇为燃料，具有无污染、能量转化率高、储存和运输方便等优点，有望在便携式电源、电动机车和野外电站等方面得到应用，但是目前阻碍 DMFC 发展的主要问题是甲醇氧化的电极材料活性不高且对甲醇吸附能力较好的铂的价格昂贵，本文的主要目的是制备出高催化活性且成本较低的甲醇电催化氧化的阳极催化剂。 本论文采用了电化学方法，如循环伏安法，常规脉冲伏安法及X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线能量色散谱（EDS）表征等技术手段研究了铂基功能性系列阳极阵列催化剂的制备方法及对甲醇电催化氧化性能，并讨论了甲醇在催化剂上的催化氧化机理。所制备出来的普通铂基合金修饰玻碳电极、铂基多元纳米线阵列电极、铂基多元空心球和Nafion试剂修饰的玻碳电极对甲醇的电催化氧化性能有了很大的提高，且所用的电极材料（贵金属）相比普通铂电极成本明显降低，得到的实验结果对甲醇燃料电池的商业化有一定的指导意义。 本论文综述了燃料电池的发展历史及其分类，重点介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理及研究进展和应用前景，尤其是直接甲醇燃料电池的阳极催化剂研究进展以及对纳米电催化材料在甲醇燃料电池阳极催化剂中的应用前景进行了详细说明，由此得出本文的选题依据，主要研究内容和结论如下： 1.采用循环伏安法分别在玻碳电极表面沉积Pt、PtRu、PtPd、PtCo、PtBi、PtSn、PtRuPd、PtRuCo等铂基多元合金，并进行了此类修饰电极对甲醇的电催化氧化研究，结果表明此类电极与普通金属铂电极或铂修饰电极相比，其催化活性有了很大的提高，其中铂基三元合金对甲醇的电催化性能比铂基二元的要高，铂基二元合金的催化活性又比一元的和普通的铂电极活性高，其中PtRu的催化活性最佳。并比较、研究了铂与其他金属盐溶液的浓度配比对电催化活性的影响。 2.以阳离子表面活性剂四丁基溴化铵为模板，硼氢化钠为还原剂制备出了PtRu、PtPd、PtCo、PtRuPd、PtRuCo铂基多元空心球，并与Nafion一起修饰玻碳电极，制备出空心球结构电极，研究了甲醇在这些功能性纳米空心球阵列电极上的电催化氧化活性和机理。研究结果表明所有的空心球结构修饰电极对甲醇表现出较高的催化活性，其中PtRuPd纳米空心球阵列电极的催化活性最高，这不仅与Pd和Ru两种元素的协同效应有关，也与合成质量较高的PtRuPd空心球结构有关，空心球结构不仅降低了催化剂的成本，增加了比表面积，同时催化活性也有了大幅度的提高。 3.采用低温恒温法制备了多孔氧化铝模板（AAO），以AAO为模板，用常规脉冲伏安法制备了PtRu、、PtPd、PtCo、PtBi、PtRuPd、PtRuCo铂基多元合金纳米线阵列电极，研究了甲醇在系列纳米线阵列电极上的电催化氧化活性和机理。并应用SEM、TEM、EDS等测试手段对纳米线阵列体系的形貌、成分、结构和合金相组织进行了表征。对甲醇的催化结果发现铂基多元纳米线对甲醇的催化活性比普通铂基合金修饰玻碳电极、常规铂电极要高，原因可以归结为：纳米线具有较大的比表面积，为甲醇氧化提供了更多的活性位点。另外，第二种金属与铂的位置关系可能更有利于减轻CO在铂表面的吸附。纳米线具有的较大比表面积，是很有潜力的一类直接甲醇阳极催化剂。