質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料制備技術(shù)——催化劑和新型膜電極研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs）為直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，在未來交通動(dòng)力和固定電站等方面應(yīng)用前景廣闊，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)重要的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。催化劑和膜電極（Membrane ElectrodeAssembly，MEA）為PEMFC的核心部件，不僅決定燃料電池系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，同時(shí)也決定燃料電池的成本和商業(yè)化進(jìn)程。
　　 燃料電池性能與電

2、極反應(yīng)的效率密切相關(guān)，而電極的反應(yīng)效率主要由催化劑性能決定。燃料電池催化劑性能的主要控制因素為催化劑活性組分、催化劑載體以及催化劑制備方法。
　　 納米碳纖維（Carbon Nanofibers，CNFs）由于具有特殊的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的物理化學(xué)性能而被重視。制備了基于納米碳纖維的Pt/CNFs催化劑，研究了納米碳纖維微結(jié)構(gòu)對(duì)Pt/CNFs電催化劑催化性能的影響。TEM結(jié)果表明，Pt納米顆粒較為均勻的分散在納米碳纖維上，載于板式納米碳

3、纖維的Pt納米顆粒具有最小的顆粒直徑。XPS研究結(jié)果表明，Pt與板式納米碳纖維具有較強(qiáng)的相互作用，而與管式納米碳纖維的相互作用較弱。電化學(xué)測(cè)試表明，納米碳纖維微結(jié)構(gòu)對(duì)Pt/CNFs催化劑ORR（Oxygen Reduction Reaction）和HOR（Hydrogen Oxidation Reaction）性能有重要影響?；诎迨郊{米碳纖維的電催化劑表現(xiàn)出最高電催化活性。在三種Pt/CNFs催化劑中，載于管式納米碳纖維的電催化劑表現(xiàn)

4、出最差的電催化活性。
　　 以Ir-V納米顆粒為活性組分，制備了Ir-V/p-CNFs和Ir-V/XC-72催化劑，對(duì)催化劑的ORR性能進(jìn)行了研究。相對(duì)于Ir-V/XC-72，制備的Ir-V/p-CNFs具有較小的金屬顆粒直徑和較為均勻的金屬顆粒分布。同時(shí)，Ir-V/p-CNFs具有較強(qiáng)的金屬.載體相互作用。循環(huán)伏安研究結(jié)果表明，Ir-V/p-CNFS表現(xiàn)出較高的ORR起始還原電位和較高的ORR反應(yīng)電流。圓盤電極研究表明，ORR

5、在Ir-V/p-CNFs電極上發(fā)生的主要是4電子反應(yīng)。恒電位放電研究表明，Ir-V/p-CNFs具有較好的穩(wěn)定性。
　　 在對(duì)現(xiàn)有催化劑制備方法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種脈沖微波輔助液相還原制備催化劑的方法。脈沖微波輔助液相化學(xué)還原法可以使Pt納米金屬顆粒負(fù)載在炭載體上。相對(duì)于商用催化劑，利用脈沖微波輔助液相化學(xué)還原法制備的電催化劑具有更小的顆粒直徑和更大的電化學(xué)比表面積。雖然脈沖微波輔助液相化學(xué)還原法制備的電催化劑Pt金

6、屬的負(fù)載量較少，但由于具有較小的粒徑，脈沖微波輔助液相化學(xué)還原法制備Pt電催化劑表現(xiàn)出更好的催化劑活性。然后，在前面的基礎(chǔ)上對(duì)催化劑的放大策略進(jìn)行了研究，初步設(shè)計(jì)了催化劑放大制備裝置。
　　 對(duì)燃料電池MEA的作用、組成和制備工藝進(jìn)行了討論，提出了一種基于納米碳纖維的新型燃料電池膜電極。以碳紙為基體，通過CGND（Chemical Catalytic VapourDepositionl）法制備了CNFs/CP復(fù)合物。這種復(fù)合物具