燃料電池催化劑的可控合成及性能研究.pdf

1、低溫燃料電池具有比能量高、工作溫度低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),是一種發(fā)展前景良好的高效綠色電源。本文針對(duì)目前燃料電池催化劑存在的問(wèn)題,探索了聚電解質(zhì)在調(diào)控合成高活性、高穩(wěn)定性催化劑方面的應(yīng)用。
　　聚電解質(zhì)作穩(wěn)定劑制備Pt/C催化劑。透射電鏡(TEM)和 X射線衍射(XRD)測(cè)試表明聚電解質(zhì)PDDA作為穩(wěn)定劑制備的PDDA-Pt/C催化劑中Pt納米粒子的平均粒徑為2.3 nm,并且均勻地分散在碳載體表面上。循環(huán)伏安(CV)測(cè)試表明,PDD

2、A-Pt/C催化劑中Pt的電化學(xué)表面積為75.5 m2 g-1Pt,商業(yè)化Etek-Pt/C催化劑則為67.2 m2 g-1Pt。同時(shí)氧還原反應(yīng)(ORR)測(cè)試證實(shí)前者對(duì)氧還原反應(yīng)的催化活性提高了40％。穩(wěn)定性測(cè)試表明與Etek-Pt/C催化劑相比,PDDA-Pt/C催化劑的電化學(xué)穩(wěn)定性提高了一倍。X射線光電子能譜(XPS)分析證實(shí)了聚電解質(zhì)PDDA與Pt納米粒子之間存在電荷轉(zhuǎn)移,這引起了PDDA-Pt/C催化劑氧還原活性和電化學(xué)穩(wěn)定性的

3、提高的原因。
　　聚電解質(zhì)功能化碳載體制備 Pt/CNT催化劑。采用聚電解質(zhì)非共價(jià)功能化處理碳納米管,并采用乙二醇法在其表面沉積 Pt納米粒子,得到Pt/PAH-CNT催化劑。電化學(xué)測(cè)試表明該催化劑的電化學(xué)活性面積為71.0 m2 g-1Pt,氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)電流密度(0.9 V)為32.4 A g-1 Pt。與Pt/COOH-CNT(酸化處理的CNT作載體)催化劑相比,Pt/PAH-CNT催化劑的電化學(xué)穩(wěn)定性提高了15%。聚電解

4、質(zhì)非共價(jià)功能化的方法保持了 CNT的結(jié)構(gòu)完整性,而且通過(guò)靜電自組裝提高了Pt納米粒子在CNT表面的分散性。
　　聚電解質(zhì)作還原劑制備Pt/graphene催化劑。聚電解質(zhì) PDDA作為還原劑,加熱條件下可將氧化石墨(GO)還原成為石墨烯(graphene)。TEM和 XRD測(cè)試證實(shí)了石墨烯的形成。XPS分析表明傳統(tǒng)NaBH4還原法制備的石墨烯中氧含量為18.6%,而上述方法制備的石墨烯中氧含量為15.5%。同時(shí)聚電解質(zhì)PDDA的存

5、在還促進(jìn)了 Pt納米粒子在石墨烯表面的沉積與分散。電化學(xué)測(cè)試表明,與Pt/XC-72催化劑相比,Pt/graphene催化劑對(duì)甲酸氧化反應(yīng)的催化活性提高了一倍,同時(shí)具有較高的電化學(xué)穩(wěn)定性。
　　聚電解質(zhì)調(diào)控制備 PtAu二元催化劑。聚電解質(zhì) PDDA作為穩(wěn)定劑制備了PtAu二元合金催化劑,平均粒徑為3.3 nm。與商業(yè)化Etek-Pt/C催化劑相比, PtAu合金催化劑明顯提高了甲酸氧化反應(yīng)的催化活性。為揭示甲酸氧化反應(yīng)機(jī)理,進(jìn)一

6、步通過(guò)靜電自組裝方法制備了新型結(jié)構(gòu)的PtAu二元金屬催化劑。TEM和XRD測(cè)試證實(shí)Pt、Au納米顆粒環(huán)繞結(jié)構(gòu)(Pt-around-Au)的形成。CV測(cè)試表明Pt-around-Au/C和Pt/C兩催化劑的電化學(xué)活性面積接近,分別為83.2 m2 g-1 Pt和85.5 m2 g-1 Pt,而 Pt-around-Au/C對(duì)甲酸氧化反應(yīng)的催化活性卻是Pt/C催化劑的3倍。通過(guò) CO脫附實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步推理,提出新的甲酸電氧化理論—PtAu協(xié)同

7、效應(yīng):Au納米粒子的存在促進(jìn)了反應(yīng)中間產(chǎn)物HCOOads的生成,然后HCOOads擴(kuò)散到周圍的 Pt納米粒子表面上被進(jìn)一步氧化成為 CO2。
　　聚電解質(zhì)誘導(dǎo)制備 Pd納米線催化劑。氧化石墨在還原為石墨烯的過(guò)程中,與Pd納米顆粒之間作用力減弱,同時(shí)Pd納米顆粒表面的聚電解質(zhì)PDDA由“伸展”變?yōu)椤笆湛s”結(jié)構(gòu),從而使Pd納米顆粒聚集、定向排列形成 Pd納米線。電化學(xué)測(cè)試表明,與 Pd納米顆粒相比,Pd納米線具有較低的甲酸氧化起始電位