直接硼氢化钠燃料电池Pd基阳极催化剂的制备及性能研究

摘要

燃料电池是一种电化学发电装置,它能将燃料和氧化剂中的化学能不通过燃烧而是由电化学反应直接转变成电能,使用这种发电方式对环境的保护具有重大意义。直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)以其无毒、易储存、高理论功率密度、低工作温度和高电压等优点而受到广泛关注。直接硼氢化钠燃料电池电极反应过程中BH4-的电氧化和水解同时存在,发展高性能的阳极催化剂提高电氧化的电子利用率具有重要意义。目前的阳极电催化剂主要以贵金属Pt为主,但Pt催化剂电子利用率难达到理论上的8电子,且成本较高。本论文以寻找高催化活性、较低成本的DBFC阳极催化剂为主要目标,制备了纳米尺寸的碳载Pd基DBFC阳极催化剂,并对NaBH4在催化剂上的电化学氧化行为进行了研究。主要内容包括以下几个方面:
　　1.采用浸渍还原法制备了粒径为5nm左右的面心立方晶格Pd-Au纳米粒子,其直径小于Au/C中的纳米Au粒子。结果表明:Pd-Au/C催化剂能明显提高NaBH4的电化学氧化活性并降低了反应的过电位。在三种Pd-Au/C催化剂中,Pd67Au33/C对BH4-的电氧化催化活性最高。以其为阳极催化剂组成的直接NaBH4-H2O2燃料电池在电流密度70mA cm-2时获得最大功率密度56.8mW cm-2。并探讨了NaBH4的浓度和温度对直接NaBH4-H2O2燃料电池性能的影响。
　　2.利用连续还原法制备了Pdshell-Aucore/C催化剂,用TEM、EDX、紫外-可见光谱等测试方法表征了其核壳结构。结果表明纳米粒子呈球形且均匀地分布在VXC-72R碳黑的表面,计算得Pd层的厚度为0.375nm。并且发现催化剂能提高NaBH4的电化学氧化催化活性,且随着实验时间的延长电催化剂并没有因毒化而失活。以其为阳极催化剂组成的直接NaBH4-H2O2燃料电池在电压0.798V,电流密度90mA cm-2处获得最高功率密度71.8mW cm-2。
　　3.通过浸渍还原法制备了不同Co含量的Pdx-Co100-x催化剂。发现Co/C对NaBH4没有直接氧化催化活性,但NaBH4在Pd/C、Pd90Co10/C、Pd81Co19/C、Pd70Co30/C和Pd59Co41/C五个电极上的氧化峰电流密度并未随着Co含量的增加而降低。其中Pd70Co30/C为阳极催化剂的直接NaBH4-H2O2燃料电池性能最好,在电流密度95mA cm-2时获得最大功率密度72.98mW cm-2,电池的放电容量为1.54Ah g-1。

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第1章 绪 论

1.1 燃料电池概述

1.2 直接硼氢化钠燃料电池

1.3 本论文研究的目的、意义及主要研究内容

第2章 试验试剂、仪器和表征方法

2.1 试验试剂和仪器

2.2 催化剂的物理性能表征

2.3 催化剂的电化学性能测试

2.4 电池的性能测试

第3章 Pd-Au/C对硼氢化钠电催化氧化及其电池性能的研究

3.1 引言

3.2 Pd-Au/C催化剂的制备

3.3 Pd-Au/C催化剂的结构和形貌分析

3.4 电化学性能分析

3.5 电池性能分析

3.6 本章小结

第4章 核壳结构Pdshell-Aucore/C对硼氢化钠电催化氧化及其电池性能的研究

4.1 引言

4.2 核壳结构Pdshell-Aucore/C催化剂的制备

4.3 核壳结构Pdshell-Aucore/C催化剂的物理化学性质分析

4.4 催化剂的电化学性能测试

4.5 电池性能测试

4.6 本章小结

第5章 Pd-Co/C对硼氢化钠电催化氧化及其电池性能的研究

5.1 引言

5.2 Pd-Co/C合金的制备

5.3 Pd-Co/C催化剂的形貌及Co含量分析

5.4 催化剂的电化学性能测试

5.5 电池性能测试

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间公开发表的论文