聚苯胺/铂复合材料的制备及其在甲醇燃料电池催化剂中的应用研究

摘要

能源与环境是影响人类可持续发展的两个重大问题。进入21世纪以来，能源短缺和环境恶化的问题更加突出，已经引起了全人类的关注，其中煤、石油、天然气等目前最主要的化石能源由于其不可再生性，正随着不断消耗而日益枯竭。直接甲醇燃料电池是一种能将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的能源转换装置，具有无污染、结构简单、高能量转换率等优点，是当今解决能源和环境问题的最佳解决方案之一。但是阳极催化剂对甲醇的电催化性能太低以及稳定性太差使得DMFC的商业化受到限制。因而，制备高效的阳极催化剂、缩小贵金属的应用能够减小催化剂的成本。本文从载体材料、催化剂组成、表面结构、制备措施等方面着手合成了一系列催化剂，并研究其在碱性条件下对甲醇的电催化活性和抗毒化能力。具体工作包括以下几个方面: (1)利用静电纺丝工艺制备聚苯乙烯微米纤维，直径为1-2μm，通过磺化引入带负电的磺酸根，再与带正电的苯胺单体原位聚合，形成磺化聚苯乙烯@聚苯胺复合纤维(SPS@PANI)。分别对制备过程中温度，合成条件进行优化，最后最优条件下的制备的复合纤维再进行原位沉积铂纳米粒子(Pt/SPS@PANI)，研究其电催化活性、稳定性和抗毒化性能，并解释其催化机理。Pt/SPS@PANI催化性能良好，约是商业Pt/C的1.5倍。 (2)在上述工作的基础上去除导电性差的磺化聚苯乙烯(SPS)内芯，形成聚苯胺空心管(PANI)，既改善了载体的导电性，又增加了载体的表面积。通过优化反应温度、时间、原料浓度等，得到性能最优的催化剂，并对其进行详细的性能考察。所制得的Pt/PANI催化剂催化性能约是商业Pt/C的2.4倍，抗毒化性能进一步提高。 (3)引入过渡非贵金属镍，可以增加贵金属与非贵金属之间的电子作用从而改善催化剂的催化性能，同时引入氧化石墨烯来连接聚苯胺微米管，增加催化剂载体的表面积，加快电子传输速率。由于Pt和Ni之间的电负性差异大，Ni对Pt的核外电子层结构影响更为显著。同时，电子云密度的变化也导致Pt的费米能级降低，从而降低了CO在Pt上的吸附。因此，在CO中毒耐受性方面，Ni的促进作用更明显，且储量丰富，成本低。石墨烯是一种典型的二维(2D)碳材料，由于较好的电子、热、机械性能而引起了极大的关注。二维平面石墨烯与三维(3D)结构组装可以防止石墨烯的堆叠，且拓展催化剂载体的表面。所制得的PtNi/PANI@rGO催化剂，催化活性进一步提高，约为商业Pt/C的8.5倍，催化剂的抗毒化性能性能和稳定性都得到了很好的改善。

目录

摘要

1．1燃料电池概述

1．1．1燃料电池的发展

1．1．2燃料电池的类型

1．2直接甲醇燃料电池概述

1．2．1直接甲醇燃料电池的发展

1．2．2直接甲醇燃料电池工作原理

1．2．3直接甲醇燃料电池存在问题

1．3直接甲醇燃料电池阳极催化剂

1．3．1铂基催化剂

1．3．2铂基复合催化剂

1．3．3催化剂载体

1．4静电纺丝简述及其应用

1．5聚苯胺

1．6本研究课题的构思

第2章基于电纺的聚苯乙烯-聚苯胺膜负载铂纳米粒子在碱性条件下对甲醇电催化活性的研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验试剂

2．2．2实验仪器

2．2．4制备SPS@PANI复合纤维

2．2．5 Pt／SPS@PANI膜催化剂的制备

2．2．3静电纺丝PS纤维

2．2．6电化学测量方法

2．3结果与讨论

2．3．1微米纤维膜形貌表征

2．3．2催化性能的条件优化

2．3．3催化剂的抗毒化与稳定性考察

2．4本章小结

第3章聚苯胺空心管负载铂纳米粒子在碱性条件下对甲醇电催化活性的研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验试剂

3．2．2实验仪器

3．2．5制备Pt／PANI催化剂

3．2．6电化学测量方法

3．3结果与讨论

3．3．1微米纤维膜形貌表征

3．3．2催化性能的条件优化

3．3．3催化剂的抗毒化与稳定性考察

3．4本章小结

第4章聚苯胺管负载铂镍双金属催化剂在碱性条件下对甲醇电催化活性的研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验试剂

4．2．2实验仪器

4．2．3制备PANI空心管

4．2．4制备PANI@rGO复合载体

4．2．5制备PtNi／PANI@rGO催化剂

4．2．6电化学测量方法

4．3结果与讨论

4．3．1催化剂的形貌表征

4．3．2催化性能的条件优化

4．3．3催化剂的抗毒化与稳定性考察

4．4本章小结

第5章总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

声明