PEMFC陰極催化劑PtM-Ag-C(M=Cu,Co,Ni)的探索與研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一種可以將燃料氣氫氣和氧氣中的化學能直接轉化成電能的電化學裝置。PEMFC的催化劑可分為陰極催化劑和陽極催化劑兩種，分別用來催化氧氣和氫氣發(fā)生電極反應。由于PEMFC的陰極過電位遠遠高于陽極過電位，因此陰極反應比陽極反應更難于進行，所以PEMFC對陰極催化劑的電催化活性和催化劑載量的要求均高于陽極。目前使用最廣泛且成熟的陰極催化劑仍然

2、是Pt/C催化劑，但Pt作為貴金屬其儲量有限且非工業(yè)應用領域也較多，因此Pt作為催化劑具有較高的成本。PEMFC成本過高是阻礙其商業(yè)化推廣應用的主要原因。目前降低催化劑成本的方法主要有低Pt合金和非Pt催化劑的研究。Pt合金的研究在降低Pt載量，提高Pt利用率方面具有重要意義，仍然屬于PEMFC陰極催化劑的研究熱點。近年來，二元Pt合金PtCu，PtCo，PtNi均可表現(xiàn)出對氧氣還原具有較好的催化作用。通過對Pt，Cu，Co，Ni，Ag

3、四種元素的二元相圖分析，可以發(fā)現(xiàn)可能存在均一相的三元合金。該三元合金可能對氧還原反應具有更好的催化作用，因此本論文通過化學還原法制備出PtCuAg/C，PtCoAg/C和PtNiAg/C三個系列的陰極催化劑，分別討論Ag元素的引入對二元PtCu/C，PtCo/C和PtNi/C催化劑的影響。
　　一，對載體XC-72碳黑進行預處理，進行表面改性，增強水溶性和分散性，以及對合金顆粒的吸附作用。
　　二，PtCu/C和不同Pt：C

4、u：Ag原子比的PtCuAg/C催化劑的CV和LSV電化學測試表明，Pt：Cu：Ag原子比為3:10:1時，PtCuAg/C催化劑具有最好的催化性能。通過XRD及TEM測試可知PtCuAg/C（3:10:1）的催化劑顆粒尺寸約為3nm，且分布均勻物相單一。XPS分析表明PtCuAg/C（3:10:1）催化劑表面相較于PtCu/C催化劑含有更多的CuO，由于催化劑表面CuO會隨著CV循環(huán)而緩慢溶解，表面暴露出更多的Pt殼結構，因此催化劑的

5、氧還原極限電流反而會增大，催化性能增強。對PtCuAg/C系列催化劑在700℃下熱處理之后，由其CV和LSV曲線可以看出，催化劑中的合金組分的結構遭到嚴重破壞，催化性能嚴重下降，Ag原子逸出至金屬表面，Pt原子被包裹于顆粒內部，無法表現(xiàn)出催化活性。
　　三，PtCo/C和不同Pt：Co：Ag原子比的PtCoAg/C催化劑的CV和LSV電化學測試表明，Pt：Co：Ag原子比為3:10:0.5時，PtCoAg/C具有較大的開路電壓E和

6、較高的極限電流。通過XRD及TEM測試可知PtCoAg/C（3:10:0.5）的催化劑顆粒尺寸約為2-3nm，且分布均勻物相單一。XPS分析表明PtCoAg/C（3:10:0.5）和PtCo/C催化劑的表面的Co元素僅以CoO的形式存在，但PtCoAg/C（3:10:0.5）催化劑表面的CoO的活性略低，因此其表面的CoO隨著CV循環(huán)溶解速度減緩，對催化劑的穩(wěn)定性具有促進作用，同時由于CoO的緩慢溶解，催化劑的催化性能也會進一步提高。<

7、br>　　四，通過CV和LSV電化學測試對PtNiAg/C體系催化劑的CV和LSV電化學測試表明，Ag的引入反而會降低 PtNi/C催化劑的催化性能。PtNiAg/C系列催化劑的CV曲線中并未出現(xiàn)Ag的氧化還原峰，說明Ag元素并未出現(xiàn)在催化劑的表面，結合XRD圖譜中PtNiAg/C催化劑的衍射峰幾乎與純Pt一致，說明Ag元素被包裹在合金顆粒內部。
　　最后，適量Ag元素的引入可以促進PtCu/C和PtCo/C催化劑的催化活性，但會