低Pt催化劑及其在質(zhì)子交換膜燃料電池環(huán)境中的性能研究.pdf

1、低Pt載量電催化劑的合成和制備已經(jīng)成為研究質(zhì)子交換膜燃料電池電催化劑的重點(diǎn)和難點(diǎn)，作為稀有金屬的Pt在世界上的儲(chǔ)量少且價(jià)格貴，目前降低催化劑Pt載量是催化劑研發(fā)的主要途徑之一。為降低電催化劑的Pt載量，目前主要有兩種方法，一是制備低載量的Pt合金催化劑，加入第二金屬，提高Pt的利用率；二是制備有序陣列電極，減低氧氣傳輸過程中的阻礙，減少由于擴(kuò)散極化帶來的電壓損失，從而提高電催化劑的電輸出性能。然而作為貴金屬催化劑，Pt自身就具有高的催化

2、活性，因此降低Pt載量的最根本的方法就是研究提高Pt的催化劑活性，從而降低Pt的催化損失。
　　本文首先通過建立Pt/C電催化劑測(cè)試模型，建立等式，確定邊界條件，研究了氧氣濃差極化現(xiàn)象對(duì)電催化劑電輸出性能的影響，分析了氧氣在催化層內(nèi)部的分布情況，確定了氧氣濃度、催化層厚度和電流密度之間的關(guān)系，并得出以下結(jié)論：
　?。?）當(dāng)電催化層度小于或者等于10um的時(shí)候，氧氣濃度基本不變，沒有發(fā)生濃差極化現(xiàn)象，氧氣足以用來發(fā)生氧還原反應(yīng)

3、；當(dāng)電催化層大于或者等于40um的時(shí)候，氧氣濃度急劇降低，基本降低為0，發(fā)生了嚴(yán)重的濃差極化現(xiàn)象，到達(dá)催化劑表面的剩余氧氣濃度不足以用來發(fā)生氧還原反應(yīng)；
　　（2）電催化劑發(fā)生氧還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流密度會(huì)隨著催化層厚度的增加而增加，然而當(dāng)催化層厚度超過40um時(shí)，由于氧氣濃度的急劇降低，氧還原電流不在增加，而是達(dá)到了此條件下的極限電流密度為15.425A/cm2；
　?。?）根據(jù)氧還原曲線可以推斷出，要產(chǎn)生1.5A/cm2的電

4、流密度，只需要2.17um厚的催化層厚度，即只需要0.0868mg/cm2的Pt載量，就可以在0.67V下達(dá)到1.5A/cm2的電流密度；
　　然而實(shí)際測(cè)試中，0.0868mg/cm2的Pt載量并不能達(dá)到如此好的性能的，為分析實(shí)際測(cè)試和理論性能之間的差別，本文接著做了一系列的對(duì)比試驗(yàn)，研究質(zhì)子交換膜燃料電池環(huán)境中影響Pt/C催化劑催化活性的因素，并得出以下結(jié)論：
　?。?）水和異丙醇的配比不同會(huì)導(dǎo)致催化劑墨水的不均勻分布，催

5、化劑由于顆粒分布不均勻而導(dǎo)致催化劑利用率不佳是一個(gè)重要的原因，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)水和異丙醇的比例為1:9時(shí)，催化劑的電催化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他的水醇比例；
　?。?） nafion的存在并不會(huì)影響Pt電極和Pt/C電極的粗糙因子和0.9V下的比活性，但是會(huì)降低氧還原極限電流密度。這說明，nafion的存在不會(huì)影響電催化劑的本質(zhì)活性特征，但是會(huì)影響氧氣的擴(kuò)散和傳質(zhì)，進(jìn)而降低電催化劑的氧還原反應(yīng)速率；
　?。?）電解質(zhì)中乙醇的存在會(huì)改變電