溶剂热法制备质子交换膜燃料电池电催化剂

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC),是一种以全氟磺酸型固体聚合物为电解质,按照电化学原理将阳极燃料(包括氢气,甲醇,乙醇等)中的化学能转化为电能的能量转换装置。它除了具有一般燃料电池的优点(能量转化效率高,环境友好等),还具有可在室温下快速启动、寿命长、比功率和比能量高等优点。催化剂是PEMFC的关键材料,合适的催化剂必须满足活性、稳定性和成本三个方面的要求。催化剂的制备方法对此有很大影响,因此寻找合适的催化剂制备方法具有十分重要的意义。为了提高催化剂的性能和降低制备成本,本文采用了溶剂热法来制备PEMFC电催化剂。根据溶剂的沸点不同,可以分为高温溶剂和低温溶剂。综合考虑高低温溶剂热法的优缺点,选择用高温溶剂热法制备贵金属催化剂,用低温溶剂热法制备非贵金属催化剂。本文用微波辅助高温溶剂热法制备了Mo修饰Pt/C贵金属催化剂,对其乙醇电氧化性能进行了研究。高温溶剂选用在高温下具有良好还原性能的乙二醇(EG),对浸渍时间、pH值、反应时间进行了系统研究,优化了其制备工艺。结果表明,该方法有利于制备粒径细小、分布均匀的贵金属催化剂;不需要进行热处理,降低了制备过程的能耗。所制备的催化剂的性能与其粒径、晶型结构有关。同时研究了不同Mo修饰含量对催化剂性能的影响,发现PtMo摩尔比为2:1的时候对乙醇电氧化的活性最高。本文又采取超声辅助低温溶剂热法制备了CoTMPP/C非贵金属催化剂,对其氧还原性能进行了研究。低温溶剂选取了冰醋酸、二氯甲烷和氨水三种作为比较,并同时对热处理温度进行了研究。该工艺与微波法、球磨法相比较,性能良好,制备工艺简单,有望实现大批量生产。本文还创新性地提出了一种复合型非贵金属催化剂,极大地提高了氧还原性能。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）结构和原理

1.1.2 PEMFC 的应用及国内外发展现状

1.1.3 PEMFC 存在问题及关键材料

1.2 PEMFC 电催化剂

1.2.1 催化剂载体

1.2.2 PEMFC 阳极催化剂

1.2.3 PEMFC 阴极催化剂

1.3 PEMFC 催化剂的制备方法

1.3.1 贵金属催化剂制备方法

1.3.2 非贵金属催化剂制备方法

1.3.3 催化剂的溶剂热制备方法

1.4 本论文研究工作

第二章 实验材料与研究方法

2.1 实验试剂及仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 Mo 修饰Pt/C 电催化剂的高温溶剂热制备

2.3 CoTMPP/C 电催化剂的低温溶剂热制备

2.3.1 甲氧基苯基卟啉（TMPP）的制备

2.3.2 炭载体预处理

2.3.3 CoTMPP/C 或Si-CoTMPP/C 的制备

2.4 催化剂的电化学性能测试

2.4.1 Mo 修饰Pt/C 电催化剂的乙醇电氧化性能测试

2.4.2 CoTMPP/C 电催化剂的氧还原性能测试

2.5 电催化剂的物化性能表征

2.5.1 透射电镜（TEM）

2.5.2 X 射线衍射（XRD）

2.5.3 X 光电子能谱分析（XPS）

第三章 高温溶剂热法制备Mo 修饰Pt/C 贵金属电催化剂

3.1 引言

3.2 微波辅助高温溶剂热制备Mo 修饰Pt/C 的工艺研究

3.2.1 CV 扫描的空白试验

3.2.2 前期浸渍时间对Mo 修饰Pt/C 催化剂乙醇电氧化性能的影响

3.2.3 pH 值对Mo 修饰Pt/C 催化剂乙醇电氧化性能的影响

3.2.4 反应时间对Mo 修饰Pt/C 催化剂乙醇电氧化性能的影响

3.2.5 高温溶剂热制备工艺小结

3.3 高温溶剂热法制备不同Mo 含量的修饰Pt/C 催化剂性能比较

3.3.1 不同Pt-Mo 摩尔比的Mo 修饰Pt/C 催化剂的乙醇电氧化活性和稳定性分析

3.3.2 不同Pt-Mo 摩尔比的Mo 修饰Pt/C 催化剂的TEM 分析

3.3.3 不同Pt-Mo 摩尔比的Mo 修饰Pt/C 催化剂的XRD 分析

3.4 本章小结

第四章 低温溶剂热法制备CoTMPP/C 非贵金属电催化剂

4.1 引言

4.2 低温溶剂热法制备非贵金属催化剂的氧还原性能研究

4.2.1 超声辅助低温溶剂热法制备CoTMPP/C 非贵金属电催化剂

4.2.2 不同溶剂对低温溶剂热制备CoTMPP/C 催化剂氧还原性能的影响

4.3 三种辅助手段对低温溶剂热制备CoTMPP/C 的氧还原性能的影响

4.3.1 球磨辅助低温溶剂热法制备CoTMPP/C 非贵金属电催化剂

4.3.2 微波辅助低温溶剂热法制备CoTMPP/C 非贵金属电催化剂

4.3.3 超声、球磨、微波三种辅助工艺比较研究

4.4 低温溶剂热法制备一种复合型非贵金属催化剂

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术成果