以炭氣凝膠為載體的直接甲醇燃料電池陽極催化劑的研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(簡稱DMFC)是通過電化學(xué)反應(yīng)直接把甲醇和氧氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。目前DMFC使用的催化劑主要是貴金屬Pt，其價格昂貴。因此制備用量少、活性高的催化劑是降低燃料電池成本的有效途徑。本文考察了陽極催化劑電極的制備工藝，用一種新型的炭納米材料-炭氣凝膠(carbon aerogels，簡稱CA)作為貴金屬催化劑的載體材料，并采用乙二醇液相還原法制備了Pt/CA(炭氣凝膠載上Pt以后的催化劑簡稱Pt/CA)催化劑

2、，利用XRD、TEM技術(shù)研究了Pt粒子大小、比表面積，并借助于電化學(xué)方法考察了其對甲醇氧化的電催化活性和穩(wěn)定性。具體的研究工作和結(jié)果主要集中在以下幾個方面： 本論文確定了制作直接甲醇燃料電池陽極電極的最佳工藝參數(shù)：炭氣凝膠顆粒越小，催化劑性能越好。從綜合結(jié)果上看，2M甲醇溶液最為適宜。甲醇在Pt/CA催化劑上的氧化過程是受甲醇分子的擴(kuò)散步驟控制的。本實驗室采用的制備電極的工藝重復(fù)性好，Pt/CA相比于商用Pt/C催化劑具有更好的

3、電催化性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)500個循環(huán)測試后，Pt/CA在甲醇溶液中的峰電流密度仍能保持為初始值的80﹪。 考察了制備過程主要參數(shù)對催化劑性能的影響。分別使用甲醛、硼氫化鈉和乙二醇作為還原劑制備了20﹪負(fù)載量的Pt/CA催化劑。三種催化劑的活性大小順序為Pt/CA(EG)>Pt/CA(HCHO)>Pt/CA(NaBH<,4>)。采用乙二醇還原法制備的Pt/CA催化劑Pt粒徑最小，Pt的電化學(xué)表面積最大，并且其電化學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好

4、于商用催化劑。隨著炭化溫度的升高，炭氣凝膠的電導(dǎo)率增加，同時Pt/CA催化劑的電化學(xué)性能也提高。通過對不同載量的催化劑進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載量為20﹪時催化劑性能最好。當(dāng)負(fù)載量達(dá)到60﹪時，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。考察了炭氣凝膠的中孔結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)與催化劑性能之間的關(guān)系，R/C為125的催化劑性能最好，其電化學(xué)活性比表面積達(dá)到87.4m<'2>/g，比質(zhì)量活性達(dá)到395.3A/g，這是因為RC比為125的炭氣凝膠的中孔結(jié)構(gòu)可以大大提高金屬Pt的分散度

5、和利用率，從而有利于發(fā)揮Pt的催化作用，提高催化劑的電催化活性。濃硝酸處理過炭氣凝膠后，炭氣凝膠表面接枝上一些含氧基團(tuán)，但是催化劑電化學(xué)性能反而下降。這是因為表面修飾程度過大，使Pt粒子團(tuán)聚，從而使Pt/CA催化劑對甲醇氧化的電化學(xué)活性降低。 以KOH活化改性過的炭氣凝膠作為載體材料制備了Pt/CA催化劑。氫氣吸附性能測試和甲醇氧化性能測試結(jié)果表明，催化劑的電化學(xué)性能下降。這是因為KOH高溫活化炭氣凝膠后，在炭氣凝膠表面刻蝕太多