燃料电池Pt基催化剂的设计及其氧还原性能分析

摘要

在燃料电池的发展中对高效低成本的阴极氧还原(ORR)电催化剂的研究是一个长期以来的热门话题。燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢造成阴极催化剂对Pt需求量很高，而目前Pt资源的匮乏和高昂的成本需降低Pt使用量，这两者之间的矛盾阻碍了燃料电池商业化应用。开发高比表面积、结构可控的Pt合金电极是解决以上难题的有效途径之一。从长远来看，为了实现燃料电池的大规模应用，必须寻找对ORR具有高催化活性的非贵金属催化剂或者低铂高活性的催化剂来代替或减少Pt的使用是降低PEMFC成本的根本途径。 (1)采用MOF作为模板合成有序低Pt载量PEMFC用ORR催化剂，采用浸渍法将Pt以纳米粒子的形式载入到MOFs材料的内部孔隙中，从而得到负载铂纳米颗粒的氮掺杂多面体介孔碳材料。通过XRD、SEM、TEM和XPS等测试方法，对催化剂的形貌、成分和结构进行了表征；采用电化学测试的方法，对合成的有序低Pt载量催化剂的氧还原性能进行了测试；证明900℃热处理过的催化剂，具有最好的氧还原性能：在0.85V(vs.RHE)下的质量活性为49.43mA.mg-1Pt，半波电势为0.837V，比商业铂碳的质量活性要高14.18mA mg-1Pt，半波电势高11mV。在酸性电解液中的稳定也优于商业铂碳，经过1000圈加速耐久性测试后半波电势损失只有15mV，远小于铂碳的47mV。 (2)快速室温合成一种正八面体MOF作为前驱体，利用盐封法实现氯化钠包覆MOF，再经过高温煅烧，酸洗除金属后制备出具有规整结构的有序介孔碳载体。采用溶胶法将Pt载入到制备的碳载体中，得到一种低铂高活性的催化剂。对催化剂的结构、成分、形貌进行分析；并对其电化学催化性能和耐久性进行了测试和分析。结果表明，Pt/OPC-700半波电势和耐久性显著高于Pt/C催化剂。 (3)采用溶胶法制备了一种石墨化碳负载贵金属Pt的燃料电池氧还原催化剂（Pt/GC），并通过XRD、TEM、Raman和XPS等分析测试技术对其结构和组成进行了表征。实验结果表明采用溶胶法制备的Pt/GC催化剂中Pt颗粒粒径大约为2-3nm且分散均匀。电化学测试结果表明以石墨化碳为碳载体的催化剂在较低的铂载量下也能保持较高的催化活性：经过1000圈电化学循环伏安加速老化实验后，Pt/GC催化剂的半波电势仅降低了10mV。

目录

声明

第1章 绪论

1.1燃料电池概述

1.2 PEMFC用阴极ORR催化剂

1.2.1 PEMFC催化层催化剂的衰退机理

1.2.2 PEMFC铂基催化剂发展现状

1.3 金属有机框架材料概述

1.4盐封法制备有序多孔碳材料

1.5 本文研究内容及意义

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究意义

第2章 实验材料与分析测试方法

2.1 实验试剂和主要仪器

2.1.1 实验所用试剂

2.1.2 实验所用设备和仪器

2.2 催化剂物理化学性能的分析测试方法

2.2.1 转靶X-射线衍射能谱

2.2.2 X-射线光电子能谱

2.2.3 材料热稳定性分析

2.2.4 SEM和TEM测试形貌分析

2.3 催化剂电化学性能测试与分析

2.3.1 工作电极的制备

2.3.2 电化学性能测试

2.3.3 电化学活性面积和质量比活性的计算

第3章 Pt/Co-NC催化剂的制备及表征

3.1 前言

3.2 材料的合成与制备

3.2.1 Co2(BDC)2dabco的合成

3.2.2 Pt/Co-NC催化剂的合成

3.3 实验结果分析

3.3.1 材料的结构和形貌分析

3.3.2 材料的氧还原性能表征与分析

3.4 本章小结

第4章 低铂载量Pt@OPC催化剂的制备及表征

4.1 前言

4.2 材料的合成与制备

4.2.1 有序多孔碳材料的制备

4.2.2 Pt@OPC催化剂的制备

4.3 实验结果分析

4.3.1 材料的结构和形貌分析

4.3.2 材料的氧还原性能表征与分析

4.3.3 Pt/OPC-700的稳定性分析

4.4 本章小结

第5章 高效稳定Pt/GC催化剂的制备及表征

5.1 前言

5.2 材料的合成与制备

5.3 催化剂的制备及物相分析

5.3.1催化剂及载体的XRD表征

5.3.2 Pt/GC及其载体的Raman表征

5.3.3 Pt/GC催化剂的TEM表征

5.3.4 Pt/GC催化剂组成分析

5.4 Pt/GC催化剂的电化学性能

5.4.1 Pt/GC催化剂的氧还原性能分析

5.4.2 Pt/GC催化剂的稳定性分析

5.5 本章小结

第6章 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利