碳纳米管为载体的燃料电池催化剂研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高效和洁净等优点,是有发展前途的一种电池,可广泛用于移动电源和便携式电源。但是,催化剂价格昂贵、利用率低和其他的一些技术问题,阻碍了PEMFC商业化的进程。目前,减少PEMFC中Pt催化剂的贵金属Pt的负载量、提高Pt的利用率已经成为该领域的重要研究方向。CNTs是一种新型的碳材料,具有独特的电子结构,高的比表面积,低电阻,耐腐蚀,良好的机械性能等优点,是作为催化剂载体的理想选择对象,催化剂和载体间的相互作用也影响着催化剂的性能。本论文通过强混酸超声氧化的方法,在碳纳米管（CNTs）表面引入含氧官能团,在不添加任何还原剂的情况下, Pt颗粒自发沉积到功能化的CNTs表面。对所制备的Pt催化电极性能及负载量,用循环伏安法（CV）、红外光谱（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）及分光光度法进行了表征与检测,初步的结果显示:自还原制备的Pt/FMCNTs（Pt的粒径约为5nm）电极的电化学表面积和Pt的利用率均大于商业化的Johnson-matthey 40wt% Pt/C电极（Pt的粒径为3～4nm）,其对氧还原的催化活性明显高于商业化的Pt/C电极。这主要是因为Pt颗粒高度分散在碳纳米管表面且主要沉积于CNTs表面的电化学活性点。本论文利用相同的原理,通过两种不同的工艺过程制备电极,结果显示,两种电极中催化剂本身的颗粒大小和分散程度没有太大的变化,催化电极的性能主要与电极的制备工艺相关。优化制备工艺参数,可以有效地提高Pt的利用率,本论文中催化性能最好的催化电极中Pt的利用率为75.6%,电极上Pt含量为0.12mg/cm2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 质子交换膜燃料电池
• 1.1.1 燃料电池概述
• 1.1.2 PEMFC 工作原理及组成
• 1.1.3 PEMFC 的应用
• 1.1.4 PEMFC 面临的问题
• 1.2 PEMFC 电催化剂
• 1.2.1 燃料电池电催化剂的研究进展
• 1.2.2 传统负载型电催化剂的制备技术
• 1.3 PEMFC 电催化剂载体
• 1.3.1 PEMFC 电催化剂载体的研究进展
• 1.3.2 碳纳米管的基本性质及应用
• 1.3.3 CNTs 在燃料电池中的应用
• 1.3.4 CNTs 做燃料电池催化剂载体的优势及进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 碳纳米管的预处理和功能化
• 1.4.2 用自还原的方法制备Pt/CNTs 催化剂并进行表征
• 2 实验方法
• 2.1 实验试剂与材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 PT/MFCNTS 催化剂的表征方法
• 2.3.1 Pt/MFCNTs 催化剂的电化学性能的表征
• 2.3.2 Pt/CNTs 催化剂的化学组成及结构的表征
• 2.4 PT/CNTS 催化剂中PT 的含量及利用率分析
• 2.4.1 Pt/CNTs 催化剂中Pt 含量的测定
• 2.4.2 Pt/CNTs 催化剂中Pt 的利用率的计算
• 3 自还原法制备PT/FMCNTS 催化电极及其制备工艺的研究
• 3.1 自还原原理及其优势
• 3.2 催化剂的制备
• 3.2.1 碳纸的预处理
• 3.2.2 平整层的制备
• 3.2.3 碳纳米管的纯化和功能化
• 3.2.4 多孔电极亲水层制备
• 3.2.5 用自还原的方法制备Pt/FMCNTs 催化剂
• 3.3 自还原制备工艺的研究
• 3.3.1 MCNTs 的选择
• 3.3.2 MCNTs 功能化方法的选择
• 3.3.3 自还原pH 值及Pt 盐浓度的选择
• 3.3.4 自还原沉积时间的选择
• 3.3.5 自还原温度的选择
• 3.3.6 小结
• 3.4 本章小结
• 4 PT/FMCNTS 催化电极的表征及讨论
• 4.1 纯化和功能化
• 4.2 催化剂的形态表征及讨论
• 4.3 催化剂的电化学表征及讨论
• 4.4 小结
• 5 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 硕士研究生期间发表的论文