石墨烯基質(zhì)子交換膜燃料電池陽極催化劑的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有低溫操作、高能量密度、快速啟動等優(yōu)點，并且有希望應(yīng)用于電動車和移動電源因此受到了人們廣泛關(guān)注，但是商業(yè)化應(yīng)用需要進(jìn)一步提升電池性能、延長使用壽命、降低成本。本文介紹了燃料電池的研究現(xiàn)狀以及催化劑性能衰減的原因和提升催化劑穩(wěn)定性的方法。主要研究了簡單快捷制備高催化活性、高穩(wěn)定性的陽極石墨烯基催化劑的方法。
　　首先以乙二醇和異丙醇為混合溶劑，采用一步溶劑熱法制備了Pt/graphene-TiO

2、2催化劑。其中Pt和TiO2均勻的分散在石墨烯表面，形成獨特的“三相界面”結(jié)構(gòu)，Pt/graphene-TiO2催化劑電氧化甲醇的質(zhì)量比活性為423.3A·g-1，比Pt/graphene催化劑(溶劑熱法制備)的289.5A·g-1高46％，經(jīng)過1000次循環(huán)加速老化測試(APCT)后，穩(wěn)定性提高了近15%。由于Pt與TiO2之間強烈的相互作用(SMSI)以及Pt-graphene-TiO2之間獨特的“三相界面”結(jié)構(gòu)，有利于發(fā)揮Pt-g

3、raphene-TiO2之間的協(xié)同效應(yīng)。系統(tǒng)研究了TiO2含量、溶劑熱溫度以及溶劑熱時間對催化劑性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)TiO2的含量占載體總含量的40mass%時，催化劑的電化學(xué)活性最好，且穩(wěn)定性比Pt/graphene提高了14.4%；當(dāng)溶劑熱溫度為140oC時，催化劑的活性和穩(wěn)定性最好；溶劑熱時間為4h時，催化劑的電化學(xué)活性最高，同時穩(wěn)定性也比2h提升了1倍以上。
　　以石墨烯為基材，構(gòu)筑了不同結(jié)構(gòu)的Pt基催化劑，首先以石墨

4、烯原位復(fù)合Pt/graphene制備三明治結(jié)構(gòu)的graphene-Pt-graphene(G-P-G)復(fù)合催化劑，由于G-P-G催化劑的獨特三明治結(jié)構(gòu)導(dǎo)致G-P-G催化劑對甲醇電氧化的質(zhì)量活性為462.8A·g-1，比Pt/graphene(微波法制備)的363.1A·g-1高27%，同時在APCT過程中穩(wěn)定性也提高了近20%。同時研究了不同石墨烯復(fù)合量對G-P-G催化劑性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯復(fù)合量的增加催化劑的ESA逐漸減小，

5、但是對甲醇氧化的比活性以及電化學(xué)穩(wěn)定性逐漸增大，因此綜合考慮活性和穩(wěn)定性，當(dāng)石墨烯復(fù)合量為50%時性能最佳。
　　采用石墨烯復(fù)合Pt/C，制備Pt/C/graphene復(fù)合催化劑。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pt/C復(fù)合一層石墨烯后，在老化過程中原本“潔凈”的石墨烯表面出現(xiàn)了Pt NPs，導(dǎo)致催化劑的穩(wěn)定性相比Pt/C提高了12%。為了進(jìn)一步提高催化劑穩(wěn)定性，以氮摻雜石墨烯復(fù)合Pt/C和Pt/graphene，發(fā)現(xiàn)相比于石墨烯，氮摻雜石墨烯復(fù)合的P