基于石墨烯的直接甲醇燃料電池催化劑材料的可控制備及性能研究.pdf

1、基于石墨烯的直接甲醇燃料電池催化劑材料的可控制備及性能研究基于石墨烯的直接甲醇燃料電池催化劑材料的可控制備及性能研究Controllablepreparationofgraphenebasedcatalystitsperfmancefdirectmethanolfuelcells學(xué)科專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)（電化學(xué)）研究生：張麗芳指導(dǎo)教師：楊全紅教授天津大學(xué)化工學(xué)院二零一三年六月摘要直接甲醇燃料電池（DMFCs）作為一種高能量密度儲(chǔ)能裝置，受到科

2、研工作者的廣泛關(guān)注。然而其催化劑價(jià)格昂貴、活性較低等因素嚴(yán)重制約了DMFCs的發(fā)展。因此，開發(fā)新型的催化劑載體是提高DMFCs催化劑性能、促進(jìn)DMFCs走向?qū)嵱没挠行緩街?。石墨烯是由sp2雜化碳原子組成的二維平面材料，具有大的比表面積和高電導(dǎo)性，是一種優(yōu)異的催化劑載體材料。本文采用一步水熱自組裝法制備了鉑納米顆粒石墨烯（PtG）催化劑材料，這種催化劑材料具有三維宏觀結(jié)構(gòu)，擁有豐富的孔隙和開放的孔道，為反應(yīng)物和產(chǎn)物提供了通常的擴(kuò)散通

3、道，有助于催化性能的提高。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）研究了水熱法制備PtG催化劑過程中，鉑含量、pH值以及水熱溫度等制備條件對(duì)催化劑Pt納米顆粒尺寸分布、形貌以及催化性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉑含量為20%時(shí)，催化劑Pt納米顆粒尺寸較小，平均粒徑約為3.5nm，電化學(xué)活性面積（ECSA）最大，抗CO毒化能力最佳；當(dāng)pH=10時(shí)，催化劑ECSA最大；當(dāng)水熱溫度為150oC時(shí)，催化劑展現(xiàn)出較高的甲醇氧化反應(yīng)（M）和氧還原反應(yīng)（R）催化能

4、力。（2）在制備PtG催化劑過程中一步實(shí)現(xiàn)氯鉑酸和氧化石墨烯的還原。透射電子顯微鏡（TEM）觀察證明Pt納米顆粒可以在石墨烯表面實(shí)現(xiàn)均勻分散，且粒徑較小，有利于反應(yīng)物與催化劑的接觸。電化學(xué)測(cè)試表明，PtG催化劑對(duì)M的催化活性、穩(wěn)定性及抗毒性均高于商業(yè)PtC催化劑，其中PtG催化劑的甲醇氧化峰電流密度為商業(yè)PtC催化劑的2.3倍。PtG催化劑材料內(nèi)部形成的有效三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)及豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氧氣及甲醇的擴(kuò)散，提高傳質(zhì)和導(dǎo)電的效率。（3）

5、為了進(jìn)一步改善催化劑的活性，我們將PtG催化劑材料在不同溫度下進(jìn)行熱處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，350oC熱處理后的PtG350催化劑負(fù)載的Pt納米顆粒粒徑最小，ECSA最大，甲醇氧化催化活性及抗毒能力最佳。（4）在PtG催化劑制備過程中加入碳納米管（CNT），得到PtGCNT350三元催化劑材料，與PtG350催化劑相比，催化性能并未得到提高，抗毒性甚至低于PtG350催化劑。綜上所述，石墨烯尤其是石墨烯三維宏觀體在直接甲醇燃料電池催化劑載體