直接甲醇燃料電池膜電極高活性陽極催化劑及阻醇研究.pdf

1、現(xiàn)今社會人類對于能源的需求越來越高，而化石能源的儲量卻在不斷減少，并在未來數(shù)十年后逐步走向枯竭，迫使人們尋求清潔、高效率的新能源。燃料電池作為一種新型的能源，憑借其環(huán)保高效、能量密度大、燃料來源豐富、儲存攜帶方便等諸多優(yōu)點，成為國際上的一個研究的熱點。直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡稱DMFC)便是其中之一。然而隨著研究的不斷深入，直接甲醇燃料電池的性能始終無法達到人們的預期，與其產業(yè)化更是相距甚

2、遠，其中主要原因是由于其核心組件——膜電極(MEA)的性能無法達到要求。具體主要有兩方面的原因：一是陽極催化劑的活性及穩(wěn)定性較低，二是陽極的甲醇通過質子交換膜直接滲透到了陰極。本文正是在探索高活性陽極催化劑和高阻醇特性的質子交換膜方面進行了深入研究。
　　石墨烯由于具有極高的電導率、極強的化學穩(wěn)定性和超高的比表面積等優(yōu)勢，被認為是最有希望的催化劑載體來提高其反應活性。但目前以石墨烯為載體的催化劑存在石墨烯片易吸附堆疊，嚴重影響催化

3、劑孔隙率以及整體性能的問題。本文通過建立直接甲醇燃料電池膜電極模型，重點分析了催化劑孔隙率對陽極傳質和電池性能的影響，仿真結果指出隨著孔隙率的增加，電化學反應活性提升，同時甲醇滲透逐漸加重。隨后分別利用葡萄糖在高溫下的碳化和乙酰苯胺在酸性環(huán)境下的聚合對石墨烯載鉑催化劑進行修飾，發(fā)現(xiàn)兩種方法能夠明顯提高陽極催化劑的孔隙率，改善石墨烯片的吸附堆疊現(xiàn)象，測試結果表明催化劑的活性及穩(wěn)定性得到較大提升，與理論分析吻合。而后對兩種石墨烯載體修飾方法

4、的制備工藝過程進行優(yōu)化，確定了催化劑達到最佳性能時的最優(yōu)工藝參數(shù)。
　　為了從最大程度上提高催化劑的孔隙率和避免石墨烯片的吸附堆疊，本文研究并制備了具有三維多孔結構的氧化石墨烯氣凝膠，提出并實現(xiàn)了以其作為載體的具有三維多孔結構的陽極催化劑。實驗結果表明該催化劑具有極高的孔隙率和良好的穩(wěn)定性，尤其大大提高了對甲醇的催化氧化活性，其電化學活性面積與對甲醇的催化氧化電流密度分別達到了驚人的93.5 m2 g-1和876.5 mA mg-

5、1Pt，活性達到了普通石墨烯擔載鉑催化劑的約5倍，穩(wěn)定性也達到了石墨烯擔載鉑催化劑的3倍。
　　在催化劑活性提高的同時，帶來了孔隙率較大導致較嚴重的甲醇滲透問題。針對這一問題，本文系統(tǒng)地研究了浸漬還原法的條件參數(shù)對質子交換膜性能的影響，并在此基礎上通過在質子交換膜的浸漬過程中加入電場輔助，來加快Pd離子向質子交換膜內的遷移，從而在質子交換膜內摻雜更多的Pd粒子，進一步降低甲醇的滲透。測試結果表明采用該方法進行質子交換膜的改性處理后