质子导体保护（修饰）质子交换膜燃料电池Pt/C催化剂制备及表征

摘要

目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用的催化剂主要是Pt/C及PtM/C催化剂，由于Pt颗粒和载体C间的结合力并不强，在电池长时间运行后，Pt颗粒会迁移长大，导致电池的耐久性降低。本论文采用Nafion修饰制备Pt/C催化剂来提高传统Pt/C催化剂的耐久性，其机理在于Nafion与碳载体和Pt颗粒间有很强的结合力。为此，本论文采用胶体法和液相还原法分别制备了Pt-nafion/C和Pt/nafion-C两种催化剂。通过TEM、XRD、XPS、CV等测试手段对所制备两种催化剂性能进行了表征，并用加速实验的方法对所制备的催化剂耐久性进行了研究，实验结果及主要结论如下： (1)制备的Pt-nafion/C催化剂，Pt-nafion颗粒分散均匀，粒径分布窄，而且40％Pt-nafion/C催化剂中Pt(0)的相对含量为79.3％，高于商业的40％Pt/C催化剂(70.5％)。Pt-Nafion/C催化剂的电化学活性比表面积接近于商业Pt/C催化剂。加速实验研究发现，40％Pt-Nafion/C催化剂的耐久性好于商业40％Pt/C催化剂：Pt-Nafion/C在电化学加速了12300次后性能下降了62％，而商业Pt/C催化剂在仅仅加速了4500次后其电化学活性比表面积就下降了65％。 (2)制备的20％Pt/nafion-C催化剂分散均匀，颗粒平均粒径为2.40nm。XPS测试分析发现：Pt-nafion/C催化剂中Pt(0)的相对含量为71.1％，与商业的20％Pt/C催化剂(70.5％)相当。20％Pt/Nafion-C催化剂的电化学活性比表面积比20％Pt/C高。加速实验结果表明20％Pt/Nafion-C催化剂耐久性高于20％Pt/C催化剂，20％Pt/nafion-C在经过5800次电化学加速后下降了63％，而20％Pt/C经过3500次加速后电化学活性比表面积就下降了67％。 上述研究证实了通过Nafion的“偶联”作用，以及通过改变Nafion、Pt和载体碳组分间的空间关系增大Pt与载体间的结合力，得以提高催化剂的耐久性的研究思路是可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1质子交换膜燃料电池

1.1.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作原理

1.1.2质子交换膜燃料电池(PEMFC)关键材料

1.2质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂的制备方法

1.3质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂利用率研究

1.4质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂耐久性研究

1.4.1碳载体的腐蚀

1.4.2 Pt的失效行为

1.5本论文选题依据

第2章Pt-nafion/C催化剂的制备及表征

2.1 Pt-nafion/C催化剂的制备

2.1.1胶体法制备催化剂原理

2.1.2试剂与仪器

2.1.3 Pt-Nafion/C催化剂的制备工艺

2.2催化剂测试及表征方法

2.2.1透射电镜(TEM)

2.2.2 X射线衍射(XRD)

2.2.3 X光电子能谱(XPS)

2.2.4循环伏安法(CV)

2.3实验结果与讨论

2.3.1 Pt-Nafion/C催化剂的微结构

2.3.2 Pt-nafion/C催化剂物相分析

2.3.3 Pt-nafion/C催化剂表面状态分析

2.3.4 Pt-Nafion/C催化剂的电催化活性

2.4本章小结

第3章Pt/Nafion-C催化剂制备及表征

3.1试剂与仪器

3.2 Pt/Nafion-C催化剂制备

3.3催化剂的测试与表征

3.4实验结果与讨论

3.4.1 Pt/Nafion-C催化剂的微结构

3.4.2 Pt/Nafion-C催化剂物相分析

3.4.3 Pt/Nafion-C表面状态分析

3.4.4 Pt/Nafion-C催化剂的电催化活性

3.3本章小结

第4章Nafion保护Pt/C催化剂耐久性加速实验研究

4.1实验部分

4.1.1试剂和仪器

4.1.2加速实验方法及过程

4.2结果与讨论

4.2.1 Pt-Nafion/C催化剂的耐久性测试

4.2.2 Pt/Nafion-C催化剂的耐久性测试

4.3本章小结

第5章主要结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文