燃料电池铂、钯基催化剂的形貌控制与阳极电催化性能

论文摘要

电催化剂是燃料电池的关键组件之一,其技术的突破与否严重影响着燃料电池能否顺利实现商业化。本文从催化剂材料的形貌与组成方面入手,采用电沉积的方法制备出了三种不同形貌及组成的燃料电池阳极催化剂：多孔的PdNi合金纳米线、PtCu合金纳米管以及球状PdNi2合金催化剂。通过一定的物理手段和电化学方法对三种催化剂材料的物理性质及催化活性进行了表征。利用对电沉积制备的富Ni的Pd75Ni25纳米线去合金化的方法制备出了多孔的Pd57Ni43合金纳米线催化剂,XRD显示其与纯Pd具有相同的晶体结构,TEM显示其上的纳米孔直径约3-6nm,金属晶格尺寸约为4-7nm。通过与20%的Pd/C对比,电化学测试表明多孔的Pd57Ni43合金纳米线催化剂具有比20%的Pd/C稍大的电化学活性面积,其对HCOOH的电氧化也具有更好的催化活性和稳定性。多孔的Pd57Ni43合金纳米线催化剂催化HCOOH氧化的峰值电流密度可以达到820mA/mg-1 Pd,而20%的Pd/C相应值为700mA/mg-1 Pd,催化性能提升约20%。利用电沉积制备的Cu纳米线与H2PtC16溶液发生置换还原反应的方法制备出PtCu合金纳米管催化剂,制备过程中稳定剂的存在与否、贵金属盐的添加量及后处理步骤对材料的形貌及组成由重大的影响。SEM显示制备出的催化剂具有良好的纳米管形貌,其中Pt与Cu的原子个数比为68：32,纳米管长度1-2um,直径在250nm左右,壁厚5nm。电化学测试表明制备出的PtCu合金纳米管催化剂虽然具有较小的电化学活性面积,但在单位活性面积上其对CH30H、HCOOH和DME电氧化的催化性能均好于20%的Pt/C催化剂,且其具有非常好的抗老化性能。实验还通过简单的恒电流沉积的方法直接在玻碳电极上制备出了PdNi2合金催化剂,物理表征发现,在与Ni发生合金化之后,PdNi2合金的形状由纯Pd的复杂的多面体转变为规则的球状,而且PdNi2合金具有Ni的晶体结构。电化学测试表明尽管PdNi2合金催化剂中Pd的含量较少,摩尔比仅为纯Pd的1/3,但由于Ni的掺入,其催化HCOOH电氧化的峰值电流密度达到了23mA/cm2,而纯Pd样品仅为8mA/cm2,催化性能提升近3倍,计时电流测试结果表明PdNi2合金催化剂的稳定性也明显优于纯Pd。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池发展简史
• 1.1.2 燃料电池的工作原理
• 1.1.3 燃料电池的特点
• 1.1.4 燃料电池的分类
• 1.2 质子交换膜燃料电池概述
• 1.2.1 PEMFC简介
• 1.2.2 PEMFC组件及关键技术
• 1.3 PEMFC电催化剂
• 1.3.1 PEMFC电催化剂概述
• 1.3.2 PEMFC电催化剂种类
• 1.3.3 电催化剂性能衰减的机制
• 1.3.4 电催化剂性能的提升措施
• 1.3.5 电催化剂制备方法
• 1.4 电沉积技术在PEMFC催化剂制备方面的应用
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验药品材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 材料的物相表征方法
• 2.2.1 扫描电子显微镜测试
• 2.2.2 X射线光电子能谱测试
• 2.2.3 透射电子显微镜测试
• 2.2.4 X射线衍射测试
• 2.2.5 能量散射光谱测试
• 2.3 材料的电化学性能表征方法
• 2.3.1 "三电极"体系
• 2.3.2 薄膜电极的制备
• 2.3.3 循环伏安测试
• 2.3.4 计时电流测试
• 第3章 多孔PdNi合金纳米线的制备及其对HCOOH电氧化催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料的制备
• 3.3 材料的物相表征
• 3.3.1 SEM及组成测试
• 3.3.2 TEM测试
• 3.3.3 XRD测试
• 3.4 材料的电化学性能表征
• 3.4.1 表征手段及参数设置
• 2吸脱附实验'>3.4.2 材料的H₂吸脱附实验
• 3.4.3 材料对甲酸电氧化的催化性能测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 PtCu合金纳米管的制备及其催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 PtCu合金纳米管催化剂的制备
• 4.2.1 分散性良好的Cu纳米线的制备
• 4.2.2 还原条件的优化
• 4.2.3 后处理工艺对产物形貌及组分影响
• 4.3 材料的电化学性能表征
• 4.3.1 表征手段及参数设置
• 2吸脱附实验'>4.3.2 材料的H₂吸脱附实验
• 4.3.3 材料对甲醇电氧化的催化性能测试
• 4.3.4 材料对甲酸电氧化的催化性能测试
• 4.3.5 材料对二甲醚电氧化的催化性能测试
• 4.3.6 材料的老化性能测试
• 4.4 本章小结
• 2合金催化剂及其对HCOOH电氧化催化性能研究'>第5章 电沉积制备PdNi₂合金催化剂及其对HCOOH电氧化催化性能研究
• 5.1 引言
• 2合金催化剂的制备'>5.2 PdNi₂合金催化剂的制备
• 5.3 材料的物相表征
• 5.3.1 SEM测试
• 5.3.2 XRD测试
• 5.4 材料的电化学性能测试
• 5.4.1 表征手段及参数设置
• 2吸脱附实验'>5.4.2 材料的H₂吸脱附实验
• 5.4.3 材料对甲酸电氧化的催化性能测试
• 5.4.4 材料的CO溶出实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢