直接甲醇燃料電池關鍵材料與膜電極的研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池（DMFC）具有高的能量密度、較高的能量轉化效率、燃料儲存和使用方便、系統(tǒng)構造簡單和反應溫度低等特點，能滿足日益增長的移動電子產(chǎn)品對高比能移動電源的應用需求。然而，陰陽極催化劑高的成本、慢的動力學過程，以及不足的電池壽命等限制了其商業(yè)化應用。針對上述問題，本論文以高比表面碳載體和Pt基催化劑等燃料電池關鍵材料和核心部件膜電極(MEA)為主要研究對象，聚焦于高比表面積石墨烯氣凝膠用作催化劑載體研究，制備了高穩(wěn)定性、高貴金屬

2、載量的高活性陰極催化劑以及低鉑用量的高性能MEA陽極，考查了PtNi金屬間化合物催化劑、石墨烯氣凝膠載體等對氧還原活性和穩(wěn)定性的影響，探討了多孔陽極結構MEA對電池功率密度和陽極PtRu催化劑利用率的影響。論文取得的主要研究結果如下：
　　(1)采用簡單、溫和的一步共還原方法，在三維結構（3D）的石墨烯氣凝膠（GA）上負載高載量的Pt納米電催化劑(60wt.％Pt/GA)。X-射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）表征表明：

3、獲得的催化劑平均粒徑為3.2nm，且均勻分布在孔道相互連通的3D GA孔壁上，即使經(jīng)300 oC熱處理，催化劑也未發(fā)生團聚現(xiàn)象。3D石墨烯氣凝膠獨特的結構、Pt納米粒子的均勻分布、Pt和石墨烯之間的相互作用以及Pt催化劑表面零價Pt含量的提高，導致Pt/GA催化劑表現(xiàn)出高的氧還原電催化活性。同時，催化劑載體3D GA強的耐腐蝕性也顯著提高了催化劑的耐久性。
　　(2)采用改進的多元醇方法制備出了60wt.%PtNi/C合金催化劑，

4、進一步退火處理得到碳載有序PtNi金屬間化合物。該催化劑的面積比活性較商業(yè)化的Pt/C催化劑提高了2.3倍；經(jīng)3000次加速耐久性測試后，Pt/C和PtNi金屬間化合物催化劑的性能衰減分別為88.92%和36.95%，PtNi金屬間化合物催化劑加速測試后的性能仍與Pt/C初始性能相當。PtNi金屬間化合物有序的原子排布結構以及催化劑表面零價金屬含量的提高，導致了碳載PtNi金屬間化合物催化劑活性和耐久性的提高。同時，碳載PtNi金屬間化

5、合物還表現(xiàn)出較好的抗甲醇氧還原活性。
　　(3)以納米MgO作為模板，在陽極微孔層和催化層中構筑微納米傳質孔道，調控陽極的孔隙率，顯著提升了被動式DMFC的性能。在陽極催化劑PtRu（1:1）載量為2.0mgcm-2時，常規(guī)方法制備的膜電極和多孔結構膜電極的最大功率密度分別為30.6和43.7mWcm-2，膜電極性能提升了42.8%。當多孔陽極催化劑PtRu（1:1）載量為1.0mgcm-2時，膜電極的最大功率密度為32.8mWc