燃料电池高度有序化膜电极碳纳米管-铂粒子催化层制备研究

摘要

膜电极(MEA)相当于燃料电池的心脏，是由质子交换膜、扩散层以及催化层构成。由于铂基催化剂仍然是目前难以取代的，所以催化层不仅影响着燃料电池的性能，更影响着燃料电池的成本。随着低铂载量燃料电池的研究与纳米材料的发展，膜电极的制备已经开始了有序化阶段，但是目前这些催化层结构只是有限的有序化，多数催化剂颗粒仍然形成团聚体。因此，如何制备低铂载量高效率的高度有序化膜电极成为研究的焦点。
　　本文提出了一种“树干型”微观高度有序化的膜电极结构以及制备这种有序化膜电极的工艺路线。主要研究了模板法制备催化层的技术路线，包括制备的氧化铝模板(Anodic Alumina Oxide template，简称AAO)及参数讨论，在模板孔道内制备碳纳米管(Carbon Nanometer Tube，简称CNT)实验研究以及在碳纳米管壁上沉积铂粒子的实验研究。
　　本论文研究工作的主要结论如下:
　　1)采用两步法制备出了符合生长碳纳米管要求的AAO模板。确定了最佳实验参数。
　　2)阳极氧化过程与电场支持下的溶解模型生长机制一致。
　　3)采用AAO浸渍柠檬酸，干燥后直接热处理，不能生成碳纳米管，只能得到无定形碳。
　　4)采用催化裂解酞菁铁可以得到直径在20nm左右的阵列碳纳米管，优化了实验参数。
　　5)采用浸渍氯铂酸还原铂粒子的方法，可以将铂粒子制备到碳纳米管内部，并大幅度提高电极反应速率，可以应用于制备碳纳米管-铂粒子催化层。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 质子交换膜燃料电池

1．2．1 质子交换膜燃料电池结构与原理

1．2．2 质子交换膜燃料电池膜电极

1．2．3 质子交换膜燃料电池催化层制备方法

1．2．4 制约膜电极发展的因素

1．3 低铂载量研究现状

1．4 研究的内容与意义

1．4．1 研究的目的

1．4．2 研究的内容

第二章 实验方法

2．1 碳纳米管制备技术

2．1．1 电弧放电法

2．1．2 激光蒸发法

2．1．3 催化裂解法

2．2 模板法

2．2．1 氧化铝模板制备方法

2．2．2 制备碳管步骤

2．2．3 生长铂粒子方法

2．3 本文研究的技术路线

2．4 实验原料

2．5 实验仪器

第三章 氧化铝模板制备结果及讨论

3．1 AAO模板的形貌表征

3．2 阳极氧化过程分析

3．3 铝片退火处理的影响

3．4 温度对孔径的影响

3．5 时间对磷酸扩孔的影响

3．6 本章小结

第四章 碳纳米管制备结果讨论

4．1 模板法生长碳纳米管结果分析

4．1．1 结果表征与分析

4．2 催化裂解法制备阵列碳纳米管

4．2．1 形貌表征

4．2．2 结果与讨论

4．3 本章小结

第五章 生长铂粒子结果及讨论

5．1 普通碳管生长铂粒子结果分析

5．2 碳纳米管阵列生长铂粒子结果分析

5．2．1 形貌表征与分析

5．2．2 电化学特性分析

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文