直接甲醇燃料电池关键材料与膜电极的研究

摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）具有高的能量密度、较高的能量转化效率、燃料储存和使用方便、系统构造简单和反应温度低等特点，能满足日益增长的移动电子产品对高比能移动电源的应用需求。然而，阴阳极催化剂高的成本、慢的动力学过程，以及不足的电池寿命等限制了其商业化应用。针对上述问题，本论文以高比表面碳载体和Pt基催化剂等燃料电池关键材料和核心部件膜电极(MEA)为主要研究对象，聚焦于高比表面积石墨烯气凝胶用作催化剂载体研究，制备了高稳定性、高贵金属载量的高活性阴极催化剂以及低铂用量的高性能MEA阳极，考查了PtNi金属间化合物催化剂、石墨烯气凝胶载体等对氧还原活性和稳定性的影响，探讨了多孔阳极结构MEA对电池功率密度和阳极PtRu催化剂利用率的影响。论文取得的主要研究结果如下：
　　(1)采用简单、温和的一步共还原方法，在三维结构（3D）的石墨烯气凝胶（GA）上负载高载量的Pt纳米电催化剂(60wt.％Pt/GA)。X-射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）表征表明：获得的催化剂平均粒径为3.2nm，且均匀分布在孔道相互连通的3D GA孔壁上，即使经300 oC热处理，催化剂也未发生团聚现象。3D石墨烯气凝胶独特的结构、Pt纳米粒子的均匀分布、Pt和石墨烯之间的相互作用以及Pt催化剂表面零价Pt含量的提高，导致Pt/GA催化剂表现出高的氧还原电催化活性。同时，催化剂载体3D GA强的耐腐蚀性也显著提高了催化剂的耐久性。
　　(2)采用改进的多元醇方法制备出了60wt.%PtNi/C合金催化剂，进一步退火处理得到碳载有序PtNi金属间化合物。该催化剂的面积比活性较商业化的Pt/C催化剂提高了2.3倍；经3000次加速耐久性测试后，Pt/C和PtNi金属间化合物催化剂的性能衰减分别为88.92%和36.95%，PtNi金属间化合物催化剂加速测试后的性能仍与Pt/C初始性能相当。PtNi金属间化合物有序的原子排布结构以及催化剂表面零价金属含量的提高，导致了碳载PtNi金属间化合物催化剂活性和耐久性的提高。同时，碳载PtNi金属间化合物还表现出较好的抗甲醇氧还原活性。
　　(3)以纳米MgO作为模板，在阳极微孔层和催化层中构筑微纳米传质孔道，调控阳极的孔隙率，显著提升了被动式DMFC的性能。在阳极催化剂PtRu（1:1）载量为2.0mgcm-2时，常规方法制备的膜电极和多孔结构膜电极的最大功率密度分别为30.6和43.7mWcm-2，膜电极性能提升了42.8%。当多孔阳极催化剂PtRu（1:1）载量为1.0mgcm-2时，膜电极的最大功率密度为32.8mWcm-2，仍高于常规方法制备的阳极催化剂载量为2.0mgcm-2时膜电极的性能。明显地，在不影响膜电极性能的前提下，牺牲模板法构筑的多孔阳极，其阳极催化剂的载量可降低50%。构筑的多孔膜电极性能的提高归结于阳极催化剂电化学活性面积的显著增加（催化剂利用率的提高）、传质阻力和电荷转移电阻的降低。

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注释表

第一章绪论

1.1 直接甲醇燃料电池（DMFC）概述

1.2 DMFC的研究现状和发展趋势

1.3 本论文的选题思路和主要内容

第二章实验技术、材料表征及电化学测试技术

2.1 试剂、材料和主要仪器

2.2 催化剂的制备

2.3 催化剂的评价

2.4 MEA的制备

2.5 MEA测试

第三章一步共还原法制备3D石墨烯气凝胶载Pt作氧还原催化剂

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章高载量PtNi金属间化合物氧还原催化剂的活性和耐久性研究

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章牺牲模板法构筑被动式直接甲醇燃料电池阳极

5.1 引言

5.2 实验

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点和工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文