直接醇燃料電池陽極催化劑的研究.pdf

1、直接醇燃料電池(DAFC)直接以液體醇作為燃料,不需要重整得到富氫的燃料氣,具有清潔、環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換密度高等優(yōu)點(diǎn),是理想的替代電源,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是甲醇/乙醇氧化的電極過程動(dòng)力學(xué)緩慢制約了直接醇燃料電池的發(fā)展,因此研究和開發(fā)新型高效的甲醇/乙醇氧化的電催化劑是直接醇燃料電池研究的熱點(diǎn)。DAFC使用的電催化劑,要求活性高、選擇性好、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、電子導(dǎo)電性良好,而且成本低。催化劑的載體、組成、結(jié)構(gòu)及合成方法對(duì)其性能有顯著的影響。

2、本文從制備方法、組成和載體對(duì)催化劑的性能影響等方面進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下： 1.采用化學(xué)鍍的方法,以碳黑為載體制備了PtRu/C、PtSn/C、Pt-Ru-Sn/C催化劑。以PtRu/C為主考察了制備過程中活化-敏化前處理過程對(duì)催化劑性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),活化-敏化前處理有利于提高催化劑顆粒的分散性和均一程度,減小催化劑顆粒粒徑尺寸,提高其催化活性。此外,還發(fā)現(xiàn)一步活化敏化法也同樣能制備出分散性較好的催化劑,而且這種方法操作過

3、程簡(jiǎn)單易行。該方法不僅適用于制備Pt-Ru催化劑,而且適用于其它擔(dān)載型Pt基催化劑如PtSn/C、Pt-Ru-Sn/C等的制備。 2.采用水熱方法合成不同粒徑和形貌的碳球,并將其作為載體,采用化學(xué)鍍的方法制備PtRu/C催化劑；利用XRD、SEM和TEM對(duì)碳球及催化劑的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征,結(jié)果表明,水熱反應(yīng)條件對(duì)碳球的粒徑及形貌影響顯著。采用電化學(xué)方法測(cè)試不同形貌碳球的比表面積以及碳球擔(dān)載催化劑的催化活性,三種碳球擔(dān)載催化劑的活

4、性按照以下順序衰減：多孔的粒徑約為100 nm的碳球擔(dān)載PtRu催化劑>連體碳球(單個(gè)碳球粒徑約150 nm)>直徑約500 nm的單分散碳球擔(dān)載催化劑。TEM分析結(jié)果表明,在碳球表面化學(xué)鍍的PtRu納米顆粒均勻分散在碳球表面,其平均粒徑約為3 nm。電化學(xué)測(cè)試表明粒徑為100 nm的多孔碳球電化學(xué)比表面積較大,因此,以這種碳球?yàn)檩d體的PtRu/C催化劑對(duì)甲醇氧化的催化性能較高。 3.采用一步活化-敏化的化學(xué)鍍方法制備了碳載Pt

5、Ru、不同組成的Pt-Ru-Sn和PtSn催化劑,并研究了催化劑的組成對(duì)甲醇和乙醇氧化的電化學(xué)催化性能。 研究發(fā)現(xiàn),在Pt催化劑中添加Ru和Sn均能促進(jìn)甲醇和乙醇的陽極氧化反應(yīng),但是,催化效果存在很大差異,適用于甲醇氧化和乙醇氧化的催化劑的組成也不相同,富Ru的三元Pt0.472Ru0.413Sn0.115/C對(duì)甲醇陽極氧化表現(xiàn)出優(yōu)越的催化性能和良好的抗中毒能力,而富Sn的三元催化劑Pt0.487Ru0.152Sn0.361/C

6、對(duì)乙醇氧化的催化活性優(yōu)于二元Pt-Sn/C和Pt-Ru/C催化劑。 4.對(duì)甲醇在二元Pt-Ru/C、Pt-Sn/C和三元Pt-Ru-Sn/C催化劑上的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探索和討論。研究結(jié)果證明,無論是在二元催化劑上還是三元催化劑表面,甲醇在低過電位區(qū)和高過電位區(qū)反應(yīng)的速控步驟分別是甲醇的吸附脫氫過程和CO等中間產(chǎn)物的氧化除去過程。Ru和Sn的添加并沒有改變甲醇氧化的反應(yīng)機(jī)理和速控步驟,而是提高了速控步驟的反應(yīng)速率,從而加快了甲醇氧化反應(yīng)進(jìn)程

7、。對(duì)甲醇在不同催化劑電極上氧化的熱力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),Ru和Sn的協(xié)同作用能有效的降低甲醇氧化反應(yīng)的活化能,這有利于提高甲醇氧化的反應(yīng)速率。 5.采用溶劑熱反應(yīng)方法制備了Ni球、Co球以及珍珠項(xiàng)鏈形Ni和Co,研究了合成條件對(duì)Ni、Co的形貌結(jié)構(gòu)的影響。通過優(yōu)化條件控制合成具有特殊形貌的Ni和Co等納米材料。并以其為載體或模板制備了Pt@Ni、Pt@Co和Pt催化劑,采用電化學(xué)方法考察了不同形貌的催化劑對(duì)甲醇氧化的催化效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),