质子交换膜燃料电池Pt合金催化剂的制备和性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池由于其清洁高效等优点,被广泛应用于便携式和移动电源中。目前PEMFC的电催化剂大多采用对氧还原反应具有高催化活性的金属Pt,但是单金属Pt催化剂在混合气体做燃料时容易中毒。因此提高Pt的利用率,提高Pt催化剂抗中毒能力,对于PEMFC的商业化意义重大。
　　 本文在采用反胶束法制备PtRu／C催化剂中,提出和研究了一种新的反胶束体系。由于采用新的反胶束体系,催化剂的催化活性和电化学性能得到显著提高。
　　 以SDS／正丁醇／正庚烷为反胶束体系制备20 wt％的PtRu／C催化剂,研究不同的表面活性剂浓度(P)、不同的水与表面活性剂的摩尔比(ω)、不同超声功率对所制备的催化剂性能的影响。采用能量散射光谱、X-射线衍射、透射电镜、电化学循环伏安法等测试手段考察电催化剂的活性。结果表明,在表面活性剂浓度P为0.2,ω值为12,超声为功率为225W下,能制备出分散均匀、粒径在3 nm左右的催化剂。在此条件下制备PtRu金属负载量为30 wt％PtRu／C催化剂,同商业化Johnson Matthey PtRu／C催化剂相比,粒径大小相接近,电化学活性和抗CO中毒能力相当。
　　 本文还采用反胶束法制备了PtRu金属负载量为30wt％的PtRuFe／C催化剂,研究表明:Fe的掺杂有助于PtRu金属粒子的分散和电催化活性的提高,当Fe的负载量为4wt％时,制备的催化剂电化学活性达到最优。采用反胶束法制备了金属负载量为20wt％的PtEu／C、PtCe／C、Pt3Te／C二元催化剂,电化学循环伏安测试结果表明,PtEu／C与PtRu／C催化剂对氧还原反应的电催化活性相当,而Pt3Te／C和PtCe／C的电催化活性依次降低；而对CO的容限能力的顺序为PtRu／C>Pt3Te／C>PtCe／C>PtEu／C。
　　 本文还与本实验室微波协助乙二醇法制备的30wt％PtRu／C催化剂的性能进行了对比。研究表明,微波法制备的催化剂的金属粒子分散度显著提高。