质子交换膜燃料电池Pt-Ru/C催化剂的研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种低温下工作的燃料电池，具有启动快，功率密度高，安全性好以及能源转化率高等优点，是目前最有竞争力的汽车动力电源之一，具有广泛的应用前景。目前FEMFC的首选催化剂是Pt/C催化剂。然而由于作为理想氢源的重整气中含有痕量的CO，会造成Pt/C催化剂因中毒而催化性能下降。一般采用引入其它金属元素来解决Pt/C催化剂CO中毒问题，研究较多的为Pt-Ru/C催化剂。 本文提出采用反胶束法来制备Pt-Ru/C催化剂，对该方法制备Pt-Ru/C催化剂的工艺条件进行了优化。重点研究了工艺路线、表面活性剂种类、水和表面活性剂摩尔比、还原剂种类等多种因素对Pt-Ru/C催化剂的物化性质及电化学性能的影响。结果表明，采用SDS为表面活性剂，KBH4为还原剂，控制水和表面活性剂摩尔比为7制备的Pt-Ru/C催化剂，具有金属载量高(达到理论值的90％以上)、颗粒粒径小(3～5nm)、合金度好、分散性好、电催化性能及抗CO中毒性能较佳等优点。 将由反胶束法制备的Pt-Ru/C催化剂与代表世界先进水平的Johnson Matthey公司商品化的催化剂进行全面的性能比较。能量散射光谱(EDS)表明自制催化剂金属载量达到理论值的91.3 mass％(PtRu原子比约为1:1)，接近商品化催化剂(94.8 mass％)；X射线衍射(XRD)分析表明，自制催化剂在晶型结构、晶格参数、颗粒粒径、合金度等结构参数都较接近进口催化剂；循环伏安法(CV)测试表明，自制的催化剂抗CO中毒性能略逊于商品催化剂；单体电池功率密度曲线表明，自制催化剂的最高输出功率和商品催化剂相当。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1燃料电池概述

1.1.1燃料电池研发史与现状

1.1.2燃料电池的种类及优缺点

1.2质子交换膜燃料电池

1.2.1 PEMFC的工作原理

1.2.2膜电极的组成

1.3 Pt-Ru/C催化剂

1.3.1 Pt-Ru/C催化剂抗CO“中毒”机理

1.3.2 Pt-Ru/C催化剂的制备方法

1.3.3载体的选择

1.4反胶束法制备纳米粒子催化剂

1.4.1反胶束形成机理

1.4.2反胶束法制备纳米催化剂的反应方式

1.4.3反胶束法制备纳米催化剂的关键技术与影响因素

1.5本课题研究背景及意义

第二章实验部分

2.1试剂及仪器

2.2 Pt-Ru/C催化剂的制备方法

2.3 Pt-Ru/C催化剂的表征方法

2.3.1能量散射光谱

2.3.2透射电子显微镜

2.3.3 X-射线衍射

2.3.4循环伏安法

2.3.5膜电极制备及工作性能的测试方法

第三章反胶束方法制备Pt-Ru/C催化剂的研究

3.1反胶束体系形成

3.2 Pt-Ru/C催化剂制备工艺路线的研究

3.2.1 Pt-Ru/C催化剂制备工艺路线

3.2.2 EDS测试

3.2.3 XRD测试

3.2.4 CV测试

第四章反胶束法制备Pt-Ru/C催化剂的工艺优化

4.1表面活性剂种类对Pt-Ru/C催化剂的影响

4.1.1 EDS测试

4.1.2 XRD测试

4.1.3 CV测试

4.2水和表面活性剂的摩尔比对Pt-Ru/C催化剂的影响

4.2.1 TEM测试

4.2.2 XRD测试

4.2.3 CV测试

4.3还原剂种类对Pt-Ru/C催化剂的影响

4.3.1 EDS测试

4.3.2 TEM测试

4.3.3 XRD测试

4.3.4 CV测试

4.4自制催化剂与商品化催化剂性能比较

4.4.1 EDS测试

4.4.2 XRD测试

4.4.3 CV测试

4.4.4 MEA测试

第五章PtRu原子比对Pt-Ru/C催化剂的影响

5.1 EDS测试

5.2 XRD测试

5.3 CV测试

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢