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、能量轉換密度高等優(yōu)點,是理想的替代電源,具有廣闊的應用前景。但是甲醇/乙醇氧化的電極過程動力學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。DAFC使用的電催化劑,要求活性高、選擇性好、耐腐蝕、壽命長、電子導電性良好,而且成本低。催化劑的載體、組成、結構及合成方法對其性能有顯著的影響。

2、本文從制備方法、組成和載體對催化劑的性能影響等方面進行了研究,主要內(nèi)容如下： 1.采用化學鍍的方法,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,采用化學鍍的方法制備PtRu/C催化劑；利用XRD、SEM和TEM對碳球及催化劑的結構和形貌進行表征,結果表明,水熱反應條件對碳球的粒徑及形貌影響顯著。采用電化學方法測試不同形貌碳球的比表面積以及碳球擔載催化劑的催化活性,三種碳球擔載催化劑的活

4、性按照以下順序衰減：多孔的粒徑約為100 nm的碳球擔載PtRu催化劑>連體碳球(單個碳球粒徑約150 nm)>直徑約500 nm的單分散碳球擔載催化劑。TEM分析結果表明,在碳球表面化學鍍的PtRu納米顆粒均勻分散在碳球表面,其平均粒徑約為3 nm。電化學測試表明粒徑為100 nm的多孔碳球電化學比表面積較大,因此,以這種碳球為載體的PtRu/C催化劑對甲醇氧化的催化性能較高。 3.采用一步活化-敏化的化學鍍方法制備了碳載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甲醇和乙醇氧化的電化學催化性能。 研究發(fā)現(xiàn),在Pt催化劑中添加Ru和Sn均能促進甲醇和乙醇的陽極氧化反應,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催化劑上的反應機理進行了探索和討論。研究結果證明,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機理和速控步驟,而是提高了速控步驟的反應速率,從而加快了甲醇氧化反應進程

7、。對甲醇在不同催化劑電極上氧化的熱力學研究發(fā)現(xiàn),Ru和Sn的協(xié)同作用能有效的降低甲醇氧化反應的活化能,這有利于提高甲醇氧化的反應速率。 5.采用溶劑熱反應方法制備了Ni球、Co球以及珍珠項鏈形Ni和Co,研究了合成條件對Ni、Co的形貌結構的影響。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,采用電化學方法考察了不同形貌的催化劑對甲醇氧化的催化效果。結果發(fā)現(xiàn),