新型碳催化剂载体的研究及其在燃料电池中的应用

摘要

燃料电池已被公认为是一种很有发展前途的能源设备，被广泛应用于日常车辆运输和便携式电子装置，因为它们可以直接将燃料的化学能量转换成电能，且无能量相互转换的损耗，较少的污染物排放等优点。铂（Pt）是燃料电池系统中使用最为广泛的催化剂，其催化效率很高。然而，纯铂易受到醇类燃料电池的中间产物一氧化碳的影响而中毒，降低了铂的使用年限。因此，甲醇燃料电池的成本昂贵，这是其不能得到广泛应用的最主要的原因。因此，寻求低成本或是取代铂金属的催化剂成为研究的热点。本文通过采用新型的碳载体替代商业Pt/C的碳黑载体，以期得到催化活性高，稳定性好，耐腐蚀性强及成本低的新型贵金属催化剂。
　　1.通过盐酸多巴胺在含有氯铂酸溶液中聚合，聚多巴胺的结构类似石墨烯，其可在自聚合过程中包覆贵金属Pt单质。通过控制搅拌速度和温度来控制合成颗粒的大小，然后在氮气保护下高温处理，形成新型催化剂Pt@CN。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光子能谱（XPS）等技术研究了其形貌结构特征，并采用一系列的电化学测定方案对新型材料在硫酸溶液中和甲醇燃料电池中的应用进行检测。最终合成的Pt@CN催化剂具有较好的氧化还原（ORR）能力，其稳定性及抗中毒能力与商业Pt/C的相比也有所提高。
　　2.合成了一种含氮量高、多孔有机金属沸石咪唑框架材料（ZIF-90），高温处理ZIF-90，并采用X光电子能谱仪（XPS）分析、扫描电子显微镜(SEM)等技术对该碳材料的形貌特点进行了表征。沉积法得到Pt/CN催化剂。高温处理后的ZIF-90材料成块状结构，且含氮比例较高。并使用循环伏安法（CV)、计时电流法（CA）和旋转圆盘电极（RED）对Pt/CN在甲醇燃料电池中的催化活性进行评价，电化学测试表明，合成的催化剂材料和商业Pt/C相比具有更高的氧化甲醇能力、更好的氧化还原活性（ORR）和稳定性。
　　3.再者，合成了多孔有机金属框架结构ZIF-90，减少Pt铂量，制备高含氮量的Pt/CN材料，并掺杂入B、P，得到四种Pt-carbon阳极催化剂，分别为 Pt/CN，Pt/CNB，Pt/CNP，Pt/CNBP。通过电化学表征等技术对该四种催化剂结构和性能进行了测定，实验结果表明，随着掺杂元素的不同，表现出不同的催化特性，特别是当B和P共同掺杂时，甲醇氧化的电流密度比商业Pt/C高2.1倍，且稳定性更佳。
　　4.最后，基于1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑六氟硼酸盐两种离子液体中分别含有N、P和N、B等元素。因此，本章将离子液体经惰性气体保护下高温处理的形成含有N、P或N、B的碳材料作为铂基催化剂的碳载体，并经过XPS、电化学等技术对该催化剂进行了表征。实验结果表明，新型载体对提高甲醇的催化有一定的促进作用。