纳米导电陶瓷楔改善石墨烯载Pt催化剂的氧还原活性

摘要

目前,质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂的担体材料主要是碳 XC-72,但是由于碳XC-72在燃料电池的工作环境下容易被腐蚀,化学稳定性差,从而导致活性物质Pt纳米粒子的损失,使催化剂的性能与寿命大大的降低,限制了PEMFC的商业化进程。
　　本论文使用了简单的溶剂热还原法通过在氧化还原石墨烯（RGO）堆体中楔入二硼化锆（ZrB2）纳米导电陶瓷而制备出一种新型的具有3D结构RGO/ZrB2担载PEMFC催化剂（Pt/RGO-ZrB2）。通过对Pt/RGO-ZrB2及其担体进行TEM、SEM、XRD、Raman和CV等测试。本论文发现在RGO层堆间嵌入ZrB2楔子, ZrB2陶瓷可以阻碍RGO的二次堆叠和其表面褶皱的发生,从而增加了其复合物的几何比表面积。并且在RGO-ZrB2担体上负载 Pt后,可以观察到 Pt纳米颗粒在RGO-ZrB2表面具有十分优异的分散性和较小的颗粒粒径（～1.85 nm）。此外,本论文所制备的Pt/RGO-ZrB2（148 m2 g-1）催化剂拥有比Pt/RGO(103 m2 g-1)和Pt/C(63 m2 g-1)催化剂更高的电化学活性面积（ECSA）,其催化剂的电化学活性面积非常接近Pt纳米颗粒的理论几何面积（155 m2 g-1）。这说明Pt/RGO-ZrB2催化剂拥有一个较高的Pt利用率。同时,可以观察到 Pt/RGO-ZrB2催化剂的质量活性高达16.8 mA mg-1,分别约为Pt/RGO（8.6 mA mg-1）和Pt/C（3.2 mA mg-1）催化剂的2倍和5倍。
　　另一方面,本论文对Pt/RGO-ZrB2催化剂进行了电化学稳定性（ADT）的测试,发现制备的Pt/RGO-ZrB2催化剂具有相对于Pt/RGO和Pt/C催化剂更好的电化学稳定性。经过加速实验后,其表面的Pt颗粒脱落和团聚程度较Pt/RGO催化剂和传统的商业Pt/C催化剂得到很大改善。这主要归因于ZrB2的纳米楔效应,即在RGO层堆中嵌入的具有高电化学稳定性的ZrB2纳米楔,可以有效地阻碍RGO片层在电化学反应过程中二次堆叠和褶皱的发生。此外,具有3D结构的RGO-ZrB2表面存在较多的缺陷和结点,可以为 Pt活性粒子提供更多的成核位点,从而阻止Pt粒子的迁移/团聚或溶入电解液中。

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第1章 绪 论

1.1 燃料电池简介

1.1.1 燃料电池的分类及现状

1.1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理

1.2 石墨烯在燃料电池催化剂载体中的应用

1.2.1 石墨烯简介

1.2.2 石墨烯的制备方法

1.2.3 石墨烯做PEMFC催化剂载体研究进展

1.2.4 石墨烯做PEMFC催化剂载体的优势与挑战

1.3 纳米导电陶瓷在燃料电池催化剂载体中的应用

1.3.1 使用导电陶瓷提高催化剂的稳定性

1.3.2 使用导电陶瓷提高催化剂的抗中毒性

1.3.3 通过混合载体改善陶瓷的电导性

1.4 本论文研究思路和主要内容

第2章 实验材料和研究方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2 催化剂的物性表征

2.2.1 粉末X射线衍射分析

2.2.2 拉曼光谱

2.2.3 BET比表面积测试

2.2.4 扫描电子显微镜表征

2.2.5 场发射高分辨率透射电子显微镜表征

2.3 电化学性能分析

2.3.1 电极制备

2.3.2 催化剂的活性面积测试

2.3.3 催化剂氧化还原性能测试

2.3.4 担体与催化剂稳定性测试

2.3.5 电化学阻抗谱

第3章 Pt/RGO-ZrB2催化剂的制备和性能表征

3.1 前言

3.2 Pt/RGO-ZrB2催化剂的制备

3.3 实验结果

3.3.1 RGO/ZrB2复合物结构和形貌分析

3.3.2 催化剂结构和形貌分析

3.3.3 催化剂循环伏安活性分析

3.3.4 催化剂氧化还原活性分析

3.3.5 催化剂担体电化学稳定性分析

3.3.6 催化剂电化学稳定性分析

3.4 实验讨论

第4章 主要结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间参与项目