基于PANI-Pt納米陣列的有序膜電極研究.pdf

1、在一些電化學能量轉化裝置中，氧還原過程是其效率的主要制約步驟。例如在燃料電池氧還原反應過程中，極化損失占整個電池反應過程損失的76％。此外，氧還原所需要的貴金屬催化劑（成本）也是制約這類電化學能量轉化裝置實際應用的重要因素。例如燃料電池中發(fā)生氫氧化過程的陽極僅需0.05mg/cm2的貴金屬鉑，而在目前商業(yè)化的電極中發(fā)生氧還原過程的陰極需要的鉑載量為0.4mg/cm2,與美國能源部關于整個電極（包括陰極和陽極）鉑載量要控制在0.125mg

2、/cm2的目標相差甚遠。
　　為提高電極的氧還原反應性能，催化劑在電極表面形成定向納米陣列結構的有序陣列電極逐漸發(fā)展起來。其中3M公司開發(fā)的基于納米結構薄膜的陣列電極（NSTF,Nanostructure Thin Film）為代表的有序電極顯示出優(yōu)異的電輸出性能，在陰極鉑載量低至0.15mg/cm2時其電性能輸出與傳統(tǒng)Pt/C(鉑載量0.4mg/cm2)電極的電性能輸出相當。因此有序陣列電極作為下一代電極顯示出較好的潛力。本論文

3、通過以PANI-Pt(聚苯胺－鉑)納米陣列為核心，展開有序膜電極的研究工作，主要研究進展如下：
　　(1)采用階梯電流法電聚合可控制備聚苯胺有序納米陣列。根據聚苯胺電聚合反應方程式中各影響參數，選取了反應物中高氯酸，苯胺濃度，以及電聚合過程中電電流密度和電聚合時間這四個影響因素，考察不同條件下聚苯胺納米有序陣列的直徑，根密度以及長度等各參數的變化情況，推斷出階梯電流法電聚合聚苯胺有序納米陣列的形核生長機理。發(fā)現高氯酸濃度以及電聚合

4、時間控制著聚苯胺納米有序陣列的形核，若高氯酸濃度低，則無法形核，電聚合時間控制形核數以及核的生長。另外，苯胺濃度和電聚合電流密度掌控和聚苯胺納米有序陣列的生長情況，若苯胺濃度過低，生長受抑制，無法形成陣列，若電流密度過大，聚苯胺納米纖維生長過快，快速交聯，成致命網狀膜。制備出以直徑33nm，長度180nm，根密度244（1/?m2）為代表的聚苯胺納米有序陣列。
　　(2)研究了在玻碳電極表面電沉積鉑的過程。在玻碳電極上以不同的過電

5、勢恒電壓電沉積鉑，發(fā)現得到的鉑顆粒尺寸較大，均大于10nm，主要原因是由于其平面結構的低表面積引起的低形核位點所決定的。因此，改變其幾何形貌，有利于增加形核位點，制備小尺寸的鉑納米顆粒。400mV過電勢下，電沉積鉑接近連續(xù)形核，由擴散控制生長。
　　（3）采用400mV過電勢恒電壓電沉積鉑納米顆粒到聚苯胺有序納米陣列上，制備出PANI-PtED(電沉積技術制備)有序納米陣列電極。PANI-PtED有序納米陣列電極其長度從184～2

6、05nm，根密度在89～136(1/μm2)，直徑范圍為52～69nm。PANI-PtED有序納米陣列電極顯示出較高的電化學活性和高電勢穩(wěn)定性（0.65V），極限電流密度在6mA/cm2附近，高電勢20000s損耗小于20%，比活性和質量活性最高達到718.36μA/cm2pt和0.0771A/mgpt。
　?。?）采用磁控濺射技術，成功制備出PANI-PtSD(磁控濺射技術制備)有序納米陣列電極。制備出的PANI-PtSD有序納

7、米陣列電極其長度從190～219nm,根密度在50～65(1/μm2)，直徑從77～135nm。PANI-PtSD有序納米陣列電極其比活性和質量活性最高為65.81μA/cm2pt和0.0534A/mgpt。
　?。?）采用真空輔助浸漬技術將磷鎢酸和碳酸銫引入到硬模板反蛋白石技術制備的三維有序大孔氧化硅結構中，制備出[3DOM/Cs2.5H0.5PW]有序電解質膜。[3DOM/Cs2.5H0.5PW]有序電解質膜具有電導率高、電導