燃料电池用碳气凝胶载铂基催化剂的制备与表征

摘要

质子交换膜燃料电池,尤其是直接甲醇燃料电池被认为是最具前景的能源电池。燃料电池通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能,在这其中催化剂起着至关重要的作用。目前燃料电池存在的主要是问题是耐用性和价格,这两方面都与催化剂有着密切的关系。本文就是以制备新型载体为出发点,制备了一些新型催化剂,并展开了相关电催化研究。主要进展如下:
　　 1.以间苯二酚和甲醛为原料,以碳酸钠为催化剂,通过溶胶-凝胶法制备了凝胶,经过酸化、溶剂置换、半密封式干燥和高温碳化得到了碳气凝胶。通过红外、拉曼、BET、TEM、XRD等检测技术分析了碳气凝胶的结构。碳气凝胶是一种具有三维纳米网络结构的非晶型碳材料,由直径约为30-40nm的球状颗粒构成,平均孔径为18.2nm,且孔径分布较窄,比表面积高达634.7 m2/g。碳气凝胶有一定的石墨化。电化学测试表明碳气凝胶有着更加优良的电化学性质。
　　 2.采用碳气凝胶为载体,通过间歇式微波加热多元醇法制备得到了Pt/碳气凝胶催化剂。Pt粒子以圆形小颗粒均匀分布在碳气凝胶上,并且高度分散,基本上没有团聚,粒径多数分布在2.0-5.0nm之间,这也是Pt催化剂活性最高的颗粒粒径分布范围。Pt粒子以面心立方结构存在,且以Pt[111]面居多。电化学测试表明Pt/碳气凝胶催化剂有着较高的电催化活性和稳定性,且表明该催化剂对甲醇的电催化氧化过程是一种典型的扩散控制的电化学反应过程。铂碳气凝胶催化剂应用于燃料电池有着重要的意义。
　　 3.采用间歇式微波辐射加热多元醇法制备了一系列的不同原子比例的PtAu/碳气凝胶催化剂。PtAu/碳气凝胶系列催化剂中催化剂粒子在载体碳气凝胶上分布均匀、高度分散,粒径多分布2.0-5.0nm之间。催化剂中铂粒子以是以面心立方结构存在,该系列催化剂中XRD特征峰发生负向偏移,且随着Au含量的增加偏移量越大。电化学测试表明当原子比例nPt:nAu=2:1时PtAu/碳气凝胶催化剂对甲醇的催化氧化的电化学活性和稳定性最高。
　　 4.以碳气凝胶为催化剂载体,采用间歇式微波加热多元醇法制备了不同原子比例的PtCof碳气凝胶催化剂。PtCo/碳气凝胶系列催化剂中催化剂粒子在载体碳气凝胶上分布均匀、高度分散,粒径多分布2.0-4.0nm之间。催化剂中铂粒子是以面心立方结构存在,XRD特征峰随着Co含量的增加发生的正向偏移增加。电化学测试表明Pt3Co1/碳气凝胶催化剂催化活性和稳定性最好,该催化剂对燃料电池来说是一个非常有应用前景的催化剂。