PEMFC铂基催化剂的助催化剂及载体研究

摘要

催化剂是质子交换膜燃料电池（PEMFC）最为重要的关键材料之一。目前，Pt/C是应用最为广泛的PEMFC催化剂，但是其仍面临着氧还原活性不高，稳定性较差，及成本过高等问题，限制了PEMFC整体的效率及商业化推广。本文确定了催化剂的制备方法并对Pt/C催化剂的制备进行了逐步放大，用以满足实验室对Pt基催化剂用量上的需求，从引入助催化剂及新型载体两个方面出发，根据Pt与Ti同为d区元素的特点，尝试找到可以提升Pt基催化剂活性及稳定性的Ti系材料。 ⑴确定了催化剂的制备方法并对Pt/C催化剂的制备进行了逐步放大。对比了连续微波法（CM）、脉冲微波法（PM）及乙二醇回流法（EG—Reflux）所制备的Pt/C催化剂的电化学活性面积及Pt颗粒形貌，并比较了以不同C材料为载体的催化剂活性和结构，优选出制备方法（PM、EG—Reflux）及载体；对50％Pt担载量的Pt/C催化剂的制备进行了逐步放大，所得催化剂与商业化的Pt/C相比，电化学活性面积较大且颗粒较小；并且催化剂制备工艺稳定可靠。将自制催化剂制得电极，经过单池性能测试，催化剂可以满足使用要求。 ⑵制备了N及Sn掺杂的TiO2（NTT）助催化剂，并利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、及X射线光电子能谱（XPS）等手段，对其晶形、形貌及元素组成进行了分析；以不同比例混入Pt/C催化剂后，对NTT/Pt/C共混催化剂进行了循环伏安动电位扫描和旋转圆盘电极测试，研究了其对Pt/C催化剂电化学活性面积及氧还原半波电位的影响；并在不同增湿条件下，在单电池中对NTT/Pt/C及Pt/C催化剂进行了测试。结果显示，NTT不仅可以促进Pt/C催化剂活性，并且其具有一定的保水能力，在低增湿工况下可以显著提升PEMFC的性能。 ⑶系统地研究了TiC及TiN作为Pt基催化剂载体的可能性。采用XRD、TEM以及比表面积及孔分布表征，对载体的晶形、形貌、比表面积及孔结构进行了分析；并采用动电位扫描法，研究了这两种载体的本征电化学稳定性。后以两种材料为载体，制备了不同Pt担载量的Pt/TiC、Pt/TiN催化剂，采用循环伏安法及旋转圆盘电极法测定了催化剂的电化学活性面积及氧还原活性；利用动电位扫描法及阶段电位氧化法评价了催化剂的电化学稳定性。结果表明，TiN及TiC及Vulcan XC—72碳粉三种材料相比，TiC与Vulcan XC-72碳粉材料电化学稳定性相当，皆优于TiN材料；担负Pt后，Pt/TiN与Pt/C催化剂氧还原活性相当，且优于Pt/TiC催化剂。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 文献综述

1.1 燃料电池特点及分类

1.2质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述

1.2.1 PEMFC的特点和车用现状

1.2.2 PEMFC的工作原理

1.2.3 PEMFC的结构和组成

1.3 Pt基催化剂面临的主要问题

1.3.1 Pt基催化剂阴极活性问题

1.3.2 Pt催化剂稳定性问题

1.3.3 Pt基催化剂成本问题

1.4提高Pt基催化剂氧还原活性及稳定性的研究进展

1.4.1 Pt-M合金催化剂的研究

1.4.2助催化剂的研究

1.4.3载体的研究

1.4.4 Ti系化合物的研究

1.5适宜量产Pt基催化剂制备方法

1.6本文的工作思路和主要内容

2 Pt／C催化剂的放大制备研究

2.1 引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.3.1催化剂制备方法的优选

2.3.2催化剂载体的优选

2.3.3催化剂的逐步放大

2.3.4催化剂放大效果稳定性的验证

2.3.5催化剂的全电池评价

2.4 小结

3 N，Sn掺杂的TiO2助催化剂的研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.3.1 NTT的物性表征

3.3.2 NTT／Pt／C的半电池评价

3.3.3 NTT／Pt／C的全电池评价

3.4 小结

4TiC及TiN载体的研究

4.1 引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.3.1载体的物性表征

4.3.2载体的电化学表征

4.3.3催化剂的物性表征

4.3.4催化剂的电化学活性表征

4.3.5催化剂的电化学稳定性表征

4.4 小结

结 论

创新与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢