铂基双金属及铂纳米线氧还原催化剂的制备与性能研究

摘要

随着人类科学技术的进步，节约能源和环境保护已经成为人类社会可持续发展战略的核心，影响世界各国能源决策和技术导向。同时，它也是能源技术发展的巨大动力。在各种新能源技术中，燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。其中的质子交换膜燃料电池更是一种高效、清洁、新型的能源。质子交换膜燃料电池能量转换效率不受卡诺循环的限制，转换效率一般可以达到60%左右。排放产物中只有水，对环境没有污染。质子交换膜燃料电池以其独有的特点，已经在交通、军事、通信等诸多领域得到越来越广泛的应用。在过去的十年里，无数顶尖的科学家为之沤心沥血，质子交换膜燃料电池真正大规模商业化应用还需要克服一些技术难题。主要就是催化剂的成本，以目前的技术手段，金属铂仍然是燃料电池大规模生产的基础。全球铂资源不但储量有限而且价格也比较昂贵，这就造成了燃料电池成本居高不下。在质子交换膜燃料电池的阴极，由于氧还原动力学比较缓慢，这导致燃料电池阴极铂的载量比阳极要高出许多，因此研制一种高性能阴极催化剂是十分必要的。目前使用比较广泛的催化剂是商业铂碳催化剂，但商业铂碳催化剂仍然存在一些固有的缺点。 为了提升燃料电池阴极催化剂的活性和稳定性，本论文从纳米多孔金基催化剂和铂纳米线分别作为氧还原催化剂，讨论它们的形貌与性能的关系，并探讨它们在电催化和燃料电池中的性能，具体讨论内容如下： （1）脱合金法制备的纳米多孔金属由于具有特殊的结构而受到越来越多的关注。在合适的溶液中腐蚀商用金银合金薄膜可以制备出纳米多孔金。本工作系统的研究了纳米多孔金外延负载单层铂壳、双层铂壳、铂纳米颗粒和铂碳催化剂的氧还原性能。结果表明纳米多孔金基催化剂上的氧还原反应均是通过四电子路径进行，此外纳米多孔金外延负载双层铂壳展示了较好的稳定性。 （2）相比于零维阴极催化剂，一维阴极催化剂铂纳米线具有单晶各向异性的特点，拥有较高的长径比、较少的晶格边界、较长的光滑晶面、较少的表面缺陷位点。这些都是燃料电池氧还原催化剂的理想属性。一维结构优先暴露高氧还原活性的低能晶面，在高电位下能延迟表面氧化，从而增强氧还原动力学。结构各向异性的路径指向效应能改进电子传输特性。以铂纳米线作为阴极催化剂，初步从铂载量、催化层碳载量和催化层树脂载量三个方面来初步探讨各因素对电池放电性能的影响。结果显示铂载量需要平衡氧还原动力学缓慢和纳米线团聚两个因素；催化层碳载量需要平衡物质传输距离和铂纳米线团聚两个因素；催化层树脂含量需要避免催化剂水淹现象。

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第一章绪论

1.1燃料电池概述与分类

1.2氢氧燃料电池的特点及产业化进程

1.3阳极氢氧化基本机理

1.4阴极氧还原基本原理

1.5氧还原阴极催化剂的技术指标

1.6氧还原催化剂的研究进展

1.7纳米多孔金概述

第二章铂修饰的纳米多孔金结构对氧还原活性与稳定性的影响

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1化学药品

2.2.2 实验仪器

2.2.3铂修饰的纳米多孔金电极的制备

2.2.4商业铂碳催化剂电极的制备

2.2.5物理化学性质的表征

2.2.6电化学表征

2.3结果与讨论

2.3.1催化剂NPG-PtP与NPG-Pt2的形貌及成分分析

图2.5是商业铂碳催化剂稳定性测试前后的透射电子显微镜图，可以很直观的从图中看出在稳定性测试后，铂纳

2.3.2以NPG为基底的电催化剂ORR活性表征

2.3.3商业Pt/C粉末催化剂ORR反应路径表征

2.4本章小结

第三章超细铂纳米线的制备及其燃料电池性能研究

3.1引言

3.2.1实验药品及材料

3.3本章小结

第四章 全文总结及展望

4.1全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢