碳化物-碳復(fù)合載體對Pt催化劑甲醇電氧化的增強(qiáng)作用.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、零污染等優(yōu)點，受到研究者的高度關(guān)注。催化劑(包括貴金屬和載體材料)是直接甲醇燃料電池中最關(guān)鍵的材料。其中，載體材料直接影響著貴金屬的分散性、催化效率及穩(wěn)定性。因此，研究和探索具有低成本、大表面積、多孔結(jié)構(gòu)、高穩(wěn)定性的新型催化劑載體材料十分必要。本論文主要是基于燃料電池催化劑的“載體與催化劑性能”之間關(guān)系的理解，采用不同方法設(shè)計制備了一系列新型碳化物/碳復(fù)合載體材料，為探索新

2、型高性能催化劑載體材料提供新思路。
　　以酚醛樹脂為碳源，采用軟模板法制備了碳化鎢/多孔碳復(fù)合體(WC/PC)，并研究了復(fù)合材料的形成機(jī)理。以復(fù)合體為載體，負(fù)載貴金屬Pt，制備Pt/WC/PC催化劑，分析了載體和Pt之間的電子相互作用。同時，研究了鎢源的添加量、焙燒溫度等因素對材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。作為甲醇電氧化催化劑，Pt/WC/PC催化劑的質(zhì)量比活性約是商業(yè)化Pt/C(JM)催化劑的2.6倍，同時具有更好的抗CO中毒能

3、力和優(yōu)越的電化學(xué)穩(wěn)定性。Pt/WC/PC催化劑優(yōu)異的性能歸因于WC對Pt的助催化作用以及載體的高比表面積的特性。
　　以鎳鹽為石墨化催化劑，采用原位同步法制備了碳化鎢和石墨化碳(WC/GC)復(fù)合體，并分析了復(fù)合體的形成機(jī)理。以WC/GC為載體負(fù)載Pt后，制備的Pt/WC/GC催化劑具有優(yōu)異的甲醇電氧化性能。Pt/WC/GC催化劑的質(zhì)量比活性約是商業(yè)化Pt/C(JM)催化劑的2.0倍，且具有比商業(yè)化Pt/C(JM)催化劑更好的電化學(xué)

4、活性面積。與此同時，Pt/WC/GC催化劑具有較低的的起始電位，優(yōu)越的抗CO中毒能力以及更好的穩(wěn)定性。與Pt/WC/PC催化劑相比，Pt/WC/GC催化劑具有較高的電化學(xué)活性面積，表明提高載體中碳的石墨化程度有利于提高催化劑中Pt的利用率。
　　以酚醛樹脂和正硅酸乙酯(TEOS)為原料，采用同步硬模板制備了碳化硅/多孔碳復(fù)合體(SiC/PC)，通過改變TEOS的加入量和焙燒溫度等因素，調(diào)控材料的比表面積、結(jié)晶度以及碳化硅的含量，并

5、分析了復(fù)合材料的形成機(jī)理。材料的比表面積可高達(dá)1163.3 m2/g，且SiC粒子在碳上均勻地分散，粒徑大約10 nm。以SiC/PC為載體負(fù)載Pt后，制備了Pt/SiC/PC催化劑，分析了載體和Pt之間的電子相互作用。作為甲醇電氧化催化劑，Pt/SiC/PC催化劑的電化學(xué)活性面積為商業(yè)化PtRu/C(JM)和Pt/C(JM)的1.6和1.2倍；其質(zhì)量比活性為商業(yè)化PtRu/C(JM)和Pt/C(JM)催化劑的3.1倍和3.6倍。與此同

6、時，Pt/SiC/GC催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。Pt/SiC/PC催化劑優(yōu)異的性能歸因于Pt和SiC載體之間存在較強(qiáng)的電子相互作用以及載體材料較大的比表面積和合適的孔道結(jié)構(gòu)。
　　以離子交換樹脂為碳源，采用原位同步法制備了碳化硅/石墨化碳復(fù)合體(SiC/GC)。研究了初始溶液中Na2SiO3與K4[Fe(CN)6]的物質(zhì)的量比和前驅(qū)體的焙燒溫度等實驗參數(shù)，對復(fù)合材料的比表面積、結(jié)晶度以及碳的石墨化程度的影響，并分析了復(fù)合材料的形成過

7、程。將SiC/GC載體負(fù)載Pt，制備Pt/SiC/GC催化劑。甲醇電氧化測試表明：Pt/SiC/GC催化劑的質(zhì)量比活性約是商業(yè)化Pt/C(JM)催化劑的2.0倍，且具有與商業(yè)化Pt/C(JM)催化劑相似的電化學(xué)活性面積以及更好的穩(wěn)定性。對比分析了四種碳化物/碳復(fù)合載體材料負(fù)載 Pt后催化劑的甲醇電催化性能，結(jié)果表明：在催化劑的抗CO中毒方面，碳化鎢/碳載體優(yōu)于碳化硅/碳載體；而在催化劑的催化活性和穩(wěn)定性方面，碳化硅/碳載體優(yōu)于碳化鎢/碳