直接甲醇燃料电池阳极单壁碳纳米管负载电催化剂研究与应用

摘要

本文采用液相还原法，以单壁碳纳米管(SWCNTs)作载体，制备了纳米级的PtRu/SWCNTs催化剂。利用XRD、TEM技术研究了PtRu粒子大小，比表面积，并借助于电化学方法考察了其对甲醇氧化的电催化活性和稳定性。主要工作和结论如下： (1)用硝酸溶液和单壁碳纳米管中的催化剂颗粒及碳纤维反应可达到纯化碳纳米管的目的，通过控制反应条件可以使碳纳米管氧化开管，并使单壁碳纳米管得到更好的分散，管束更细，增加比表面积。使单壁碳纳米管氧化开管的最佳反应条件为：硝酸浓度为4mol/L；反应温度为103℃；反应时间为16h。 (2)采用液相还原法，以甲醛做还原剂，单壁碳纳米管做催化剂载体，制备了20wt％Pt-10wt％Ru催化剂。考察了反应条件对催化剂物理性质的影响，得到了较为适宜的制备工艺：采用硝酸氧化法对SWCNTs纯化活化；适中的H2PtCl6-RuCl3浓度；较低的温度，可制备出晶粒度较小的纳米级PtRu/SWCNTs催化剂。以SWCNTs为载体制得的PtRu催化剂粒径小于以活性炭为载体的催化剂，而比表面积更大， (3)运用循环伏安法测定了在不同温度下催化剂电氧化活性和稳定性。随着温度的上升，甲醇峰值氧化电位正移，峰值氧化电流增大。所制备PtRu/SWCNTs催化剂与商业化Johnson-MattheyPtRu/C催化剂相比，低温条件下峰值氧化电流较低，在工作温度超过70℃时，其峰值氧化电流大于商品催化剂。自制催化剂比商品催化剂更低的峰值氧化电位说明其更容易是甲醇氧化。工作温度从室温到80℃，自制催化剂峰值氧化电位正移0.33V小于商品催化剂的0.45V，说明自制催化剂稳定性优于商品化Johnson-MattheyPtRu/C催化剂。所制备PtRu/SWCNTs催化剂性能可与商品化Johnson-MattheyPtRu/C催化剂媲美。 (4)以自制PtRu/SWCNTs为催化剂制备了膜电极，并组装液相进料直接甲醇燃料电池单体。以PtRu/SWCNTs做催化剂，催化剂层中催化剂的优化含量为0.6mgPt/cm2，Nafion最佳含量为7％，PTFE最佳含量为5％。在低Pt载量条件下，即阳极Pt含量0.6mg/cm2，阴极Pt含量0.6mg/cm2，阴极空气近大气压条件下，膜电极有效面积9cm2，t=80℃，甲醇浓度2.5mol/L时，单电池开路电压为0.6V左右，0.3V时电流密度为43mA/cm2，0.2V时电流密度为72mA/cm2。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1燃料电池发展概况

1.1.1燃料电池发展历史

1.1.2燃料电池特点

1.1.3燃料电池工作原理

1.1.4燃料电池种类

1.2质子交换膜燃料电池(PEMFC)

1.2.1质子交换膜燃料电池的研究状况

1.2.2质子交换膜燃料电池的优缺点

1.3直接甲醇燃料电池(DMFC)

1.3.1直接甲醇燃料电池(DMFC)研制原因

1.3.2直接甲醇燃料电池(DMFC)工作原理

1.4直接甲醇燃料电池研究现状

1.4.1电解质膜的研究

1.4.2电催化剂研究

1.5碳纳米管作甲醇电催化剂载体

1.6铂基电催化剂的制备方法

1.7本论文的工作

1.7.1研究方向

1.7.2研究内容

第二章单壁碳纳米管的纯化活化

2.1实验仪器及化学试剂

2.1.1实验仪器

2.1.2化学试剂

2.2硝酸氧化法对SWCNTS预处理

2.2.1硝酸氧化法对SWCNTS预处理

2.2.2 SWCNTs的TEM实验

2.2.3失重率的计算

2.3结果与讨论

2.3.1硝酸浓度的影响

2.3.2反应温度的影响

2.3.3反应时间的影响

2.4壁纳米碳管纯化的HRTEM表征

2.5小结

第三章液相还原法制备Pt-Ru/SWCNTS催化剂

3.1实验仪器及化学试剂

3.1.1实验仪器

3.1.2化学试剂

3.2 Pt-Ru/SWCNTS催化剂的制备

3.2.1实验原理

3.2.2 Pt-Ru/SWCNTS催化剂的制备

3.2.3催化剂表面形貌分析

3.3结果与讨论

3.3.1不同反应条件制得催化剂XRD分析

3.3.2 PtRu/SWCNTs催化剂的TEM分析

3.4小结

第四章甲醇氧化电催化剂的活性评价

4.1实验仪器及化学试剂

4.1.1实验仪器

4.1.2化学试剂

4.2电化学活性评价方法

4.2.1循环伏安扫描流程

4.2.2工作电极的制备

4.3 20wt％Pt-Ru/SWCNTs的活性评价结果

4.3.1 SWCNTs在不同溶液中的电化学行为

4.3.2电化学活性评价

4.4甲醇在铂基催化剂上的电化学氧化机理

4.5小结

第五章液相进料直接甲醇燃料电池单电池制备及性能研究

5.1实验仪器与化学试剂

5.1.1实验仪器

5.1.2化学试剂

5.2膜电极制备

5.2.1 Nafion膜的预处理

5.2.2碳纸的憎水化处理

5.2.3涂膏—热压法制备膜电极

5.3单电池组装

5.4单电池系统测试

5.4.1温度控制

5.4.2电池运行和测试装置

5.5阳极电极催化层组成对电池性能影响

5.5.1催化层中催化剂用量的对电池性能影响

5.5.2催化层中Nafion含量对电池性能的影响

5.5.3催化层中PTFE含量对电池性能的影响

5.6小结

第六章 结论

致谢

参考文献