Se/Ru作为直接甲醇燃料电池阴极催化剂的研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池具有系统结构简单、燃料携带补充方便等优点,是潜在的电动汽车和便携式电子设备的电源。影响直接甲醇燃料电池商业化进程的原因之一是目前普遍使用的阴极催化剂Pt对甲醇敏感,催化从阳极迁移到阴极的甲醇发生氧化反应产生混合电势,导致阴极极化加剧。因此研究兼具高氧气电还原催化活性和强耐甲醇性能的阴极电催化剂是直接甲醇燃料电池研究的重要课题之一。本论文针对Se/Ru催化剂,研究了其制备方法、结构、催化氧气还原活性以及耐甲醇性能。本论文研究了一种新的纳米Se/Ru催化剂的制备方法,即通过将金属态纳米Ru与SeO2水溶液在H2气氛下反应制备了纳米Se/Ru催化剂。这种方法具有反应条件温和（常温、常压）、无毒无污染、收率高、重复性好、成本低、易于放大等突出优点。采用XRD、TEM和XPS等物理表征手段和循环伏安、CO探针吸附等电化学方法对Se/Ru催化剂进行了系统的表征;考察了纳米Se/Ru催化剂对氧气还原的电催化性能及其耐甲醇性能。发现制备的Se/Ru催化剂的平均粒径约为4.5nm,Se/Ru中的Ru为金属态,Se和Ru之间存在化学键;Se覆盖了大部分Ru的表面原子并阻止它们被氧化,被Se原子包围的裸露的金属态的Ru原子可能是氧气还原反应的催化的活性位。Se/Ru表现出高的催化氧气电还原活性,氧还原反应的起始电势约为0.9V。Se/Ru对1mol/L甲醇完全不敏感。以制备的Se/Ru作为阴极催化剂,组装了质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。电池性能测试结果表明,质子膜燃料电池在电压为0.40 V、工作温度为80℃时,电流密度达657 mA/cm2。直接甲醇燃料电池在阳极甲醇的浓度低于12 mol/L时,电池的性能几乎不随甲醇浓度的变化而变化。本研究制备的Se/Ru作为PEMFC和DMFC阴极的性能显著高于有机溶液体系中制备的Se/Ru阴极。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 直接甲醇燃料电池
• 1.1.1 直接甲醇燃料电池概论
• 1.1.2 直接甲醇燃料电池结构和原理
• 1.1.3 直接甲醇燃料电池研究现状
• 1.1.4 直接甲醇燃料电池电催化剂的研究现状
• 1.1.5 直接甲醇燃料电池氧阴极催化剂
• 1.1.6 影响催化剂性能的因素
• 1.1.7 Chevrel相催化剂的制备方法
• 1.2 选题意义和主要研究内容
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 阴极催化剂制备、表征和性能测试
• 2.2.1 催化剂制备
• 2.2.2 催化剂表征
• 2.2.3 催化剂性能测试
• 2.3 电池组装及性能测试
• 2.3.1 电池的制备
• 2.3.2 电池性能测试
• 第3章 纳米Se/Ru催化剂的制备表征及性能测试
• 3.1 引言
• 3.2 Se/Ru催化剂的制备
• 3.3 纳米Se/Ru催化剂物理表征
• 3.3.1 XRD测试
• 3.3.2 TEM测量
• 3.3.3 XPS分析
• 3.4 纳米Se/Ru催化剂电化学表征
• 3.4.1 循环伏安测试
• 3.4.2 CO探测吸附
• 3.5 纳米Se/Ru催化剂电化学性能
• 3.5.1 Se/Ru对氧气电化学还原的催化性能
• 3.5.2 Se/Ru耐甲醇性能
• 3.6 本章小结
• 第4章 纳米Se/Ru阴极直接甲醇燃料电池的研究
• 4.1 引言
• 4.2 水溶液体系中制备的Se/Ru作为PEMFC阴极催化剂的性能
• 4.3 有机溶液体系中制备的Se/Ru作为PEMFC阴极催化剂的性能
• 4.4 水溶液体系中制备的Se/Ru作为DMFC阴极催化剂的性能
• 4.5 水溶液体系和有机溶液体系中制备的Se/Ru作为DMFC阴极催化剂的性能比较
• 4.6 以Pt为DMFC阴极催化剂时甲醇浓度的影响
• 4.7 阳极甲醇浓度对Se/Ru和Pt阴极极化的影响
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢