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低温燃料电池低铂催化剂的制备及性能研究

2020-12-11阅读(155)

低温燃料电池低铂催化剂的制备及性能研究

论文摘要

燃料电池以其高效率、高能量密度、零排放、快速启动等优点,被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池和直接甲酸燃料电池等。电催化剂是低温燃料电池的最为重要的关键材料之一,目前常用的基于铂的贵金属催化剂存在成本高昂、以及铂资源限制等问题,已成为制约燃料电池技术的发展和商业化进程的重要因素。因此,研究和开发非铂及低铂催化剂已成为燃料电池领域的热点研究课题,其中以降低铂使用量为目标的低铂催化剂具有十分明朗的应用前景,研究和开发新型低铂催化剂,对于有效降低铂的使用量、降低燃料电池成本、促进燃料电池技术的发展具有十分重要的意义。本文以设计和制备高性能低铂催化剂为目标,设计和制备了系列以具有良好的化学稳定性和电化学稳定性的廉价金属钌为核,以铂和铂的合金为壳的核壳结构低铂催化剂,并对这些催化剂在低温燃料电池阳极和阴极中电催化性能进行了深入的研究。首先,制备了高活性的低铂核壳结构Ru@Pt/C催化剂。采用两步浸渍-还原法制备了Pt含量为5 wt.%的核壳结构催化剂Ru@Pt/C,对于甲醇的阳极氧化反应,该催化剂的单位质量铂的催化活性分别为Pt/C,PtRu/C和商业JM PtRu/C催化剂的1.9、1.5和1.4倍。尤为重要的是该催化剂对甲醇氧化中间体具有很好的去除能力,其循环伏安正向扫描的氧化峰的峰电流密度（If）与反向扫描氧化峰的峰电流密度（Ib）之比可高达2.4,为Pt/C催化剂的If/Ib的2.7倍。另外,Ru@Pt/C催化剂的稳定性也高于Pt/C,自制PtRu/C和商业JM PtRu/C催化剂。其次,考察了铂的覆盖度（Pt:Ru摩尔比）对Ru@Pt/C催化剂结构、甲醇氧化和氧还原（oxygen reduction reaction,ORR）性能的影响,研究了壳层原子与核之间的相互作用。利用两步还原法合成了一系列不同铂覆盖度（Pt:Ru比）的核壳结构催化剂Ru@Pt/C,催化剂对于甲醇的阳极氧化和氧还原反应活性先随Pt:Ru摩尔比的增加而增加后随Pt:Ru摩尔比的增加而降低,在Pt:Ru比例为0.42:1时,催化剂具有最好的催化性能。Pt:Ru摩尔比从0.13:1增加到0.81:1,If:Ib比值从5.8下降到0.8。当Pt:Ru比例为0.42:1时,If/Ib和Pt/C的相当;继续增加Pt:Ru比,If/Ib比值几乎不变。Ru@Pt/C（0.42:1）对甲醇氧化的单位质量Pt的催化活性是Pt/C的3倍。有甲醇存在时,Ru@Pt/C催化剂表现出良好的抗甲醇能力。第三,制备了具有合金壳层的核壳结构Ru@PtxPdy/C催化剂,考察了壳层中不同Pt:Pd原子比对催化剂在甲酸氧化中催化性能的影响。Ru@PtxPdy/C催化剂对甲酸的催化活性随壳层中Pt:Pd原子比而变化。和Pd/C催化剂相比,Ru@Pt1Pd2/C对甲酸氧化的峰电位负移了约200 mV。Ru@Pt2Pd1/C催化剂对甲酸的催化氧化性能是Pt2Pd1/C的3.5倍,表明了其贵金属利用率的提高。微型直接甲酸燃料电池单电池测试结果显示,在0.5 V处,以Ru@Pt2Pd1/C做阳极催化剂的单电池电流密度达到7.5 mA·cm-2,分别是Pt2Pd1/C和JM Pt/C做阳极催化剂的单电池电流密度的1.3和3.5倍。这些结果表明以Ru@Pt2Pd1/C做催化剂的单电池比以Pt2Pd1/C和JM Pt/C做催化剂的单电池展现了更好的电池性能。这种提高可能是壳与核协同作用的结果。第四,以Ru作为核以PtPd或PtIr合金作为壳,制备了Ru@PtPd/C和Ru@PtIr/C催化剂,考察了两种催化剂在碱性介质中对乙醇氧化催化性能的影响。Ru@PtPd/C（Pt:Pd原子比1:0.2）对乙醇氧化的单位质量PtPd的催化活性分别为PtPd/C,PtRu/C,Pd/C和Pt/C的1.3,3,1.4和2倍。Ru@PtIr/C催化剂对乙醇氧化的催化活性分别是Pt/C和合金PtRu/C催化剂的1.8和3.0倍,另外其If/Ib值高达2.4,分别是Pt/C和合金PtRu/C的2.4倍和2.0倍,表明Ru@PtIr/C催化剂具有高的催化活性和高的抗乙醇氧化中间体（CO）的中毒能力。核壳结构Ru@PtIr/C和Ru@PtPd/C催化剂的稳定性也高于Pt/C。第五,制备了一系列不同Pt:Se摩尔比的Pt@Se/C氧还原催化剂。循环伏安研究结果表明,Pt@Se/C催化剂的Pt氧化峰消失;随催化剂中Se含量增加,H吸、脱附峰越来越不明显,Se的氧化峰越来越强,表明Se在Pt的表面沉积,说明Se的加入使金属Pt的表面特征发生了改变,抑制了对H的吸附。Pt@Se/C催化剂对ORR的活性随Pt:Se摩尔比的减少呈先增加后降低的趋势,Pt:Se摩尔比为0.63:0.37时,Pt@Se/C对ORR的起始电位和半波电位分别比Pt/C催化剂正移了20和41 mV。Pt@Se/C催化剂与Pt/C催化剂相比具有非常高的抗甲醇中毒性能。第六,制备了RuFeSe@Pt/C催化剂。核组分中,Ru,Fe和Se形成合金。循环伏安研究表明,在RuFeSe/C上负载Pt以后,Se的氧化峰消失,间接证明了Pt在RuFeSe表面的还原沉积,形成核壳结构。RuFeSe@Pt/C对ORR半波电位比Pt/C和Ru@Pt/C分别正移了61 mV和46 mV。当在有甲醇存在的条件下,它的催化活性要比Pt/C催化剂好。RuFeSe@Pt/C催化剂与Pt/C催化剂相比具有非常高的抗甲醇性能。RuFeSe@Pt/C催化剂催化氧还原的机理主要是以4电子反应机理进行,反应中主要生成产物为水。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 低温燃料电池简介
  • 1.1.1 低温燃料电池工作原理
  • 2/02 质子交换膜燃料电池'>1.1.2 H2/02质子交换膜燃料电池
  • 1.1.3 直接甲醇燃料电池
  • 1.1.4 直接甲酸燃料电池
  • 1.1.5 直接乙醇燃料电池
  • 1.2 低温燃料电池催化剂及其作用机理
  • 1.2.1 低温燃料电池催化剂
  • 1.2.2 氧还原机理
  • 1.2.3 甲醇的催化氧化机理
  • 1.2.4 乙醇的催化氧化机理
  • 1.2.5 甲酸的催化氧化机理
  • 1.3 低温燃料电池及其催化剂面临的挑战
  • 1.4 低温燃料电池催化剂的制备技术
  • 1.4.1 浸渍还原法
  • 1.4.2 有机溶胶法
  • 1.4.3 超声溅射法
  • 1.4.4 微波法
  • 1.4.5 反胶束法
  • 1.4.6 羰基化合物分解法
  • 1.4.7 电化学还原沉积法
  • 1.4.8 其它方法
  • 1.5 低温燃料电池电催化剂研究现状
  • 1.5.1 阴极催化剂主要体系的研究现状
  • 1.5.2 甲醇氧化催化剂
  • 1.5.3 乙醇氧化催化剂
  • 1.5.4 甲酸氧化催化剂
  • 1.5.5 核壳结构催化剂
  • 1.5.6 低温燃料电池催化剂载体的研究进展
  • 1.6 本课题的研究背景、思路及研究内容
  • 1.6.1 研究背景和研究思路
  • 1.6.2 研究内容
  • 第二章 实验设计和表征方法
  • 2.1 实验材料与化学试剂
  • 2.2 实验设备
  • 2.3 实验方法
  • 2.3.1 催化剂的制备
  • 2.3.2 旋转圆盘电极的制备
  • 2.3.3 膜电极制备
  • 2.4 电催化剂的结构表征
  • 2.4.1 X-射线物相及结构分析
  • 2.4.2 催化剂颗粒度及形貌观察（TEM）
  • 2.4.3 催化剂表面结构及组成分析（XPS）
  • 2.4.4 元素分析（EDX）
  • 2.5 催化剂的电化学活性的评价
  • 2.5.1 循环伏安法（CV）测定金属催化剂的比表面积
  • 2.5.2 甲醇氧化电催化反应的电化学表征
  • 2.5.3 甲酸氧化电催化反应的电化学表征
  • 2.5.4 乙醇氧化电催化反应的电化学表征
  • 2.5.5 氧还原电催化反应的电化学表征
  • 2.6 单电池性能测试
  • 第三章 浸渍法制备高活性的Pt 修饰Ru/C 催化剂
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 催化剂的制备
  • 3.2.2 催化剂的表征
  • 3.2.3 甲醇氧化电催化活性评价
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 催化剂的XRD 分析
  • 3.3.2 催化剂的形貌
  • 3.3.3 催化剂的XPS 分析
  • 3.3.4 催化剂的电催化性能
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 Pt 修饰 Ru/C 催化剂:修饰 Pt 的含量对催化剂结构、甲醇氧化与氧还原性能的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 催化剂的制备
  • 4.2.2 催化剂的表征
  • 4.2.3 甲醇氧化和氧还原电催化活性评价
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 催化剂XRD 分析
  • 4.3.2 催化剂的形貌
  • 4.3.3 催化剂的XPS 分析
  • 4.3.4 催化剂对甲醇氧化的电催化性能
  • 4.3.5 催化剂对氧还原的电催化性能
  • 4.4 本章小结
  • xPdy合金作壳 Ru 作核的 Ru@PtxPdy/C 催化剂在直接甲酸燃料电池中的应用'>第五章 PtxPdy合金作壳 Ru 作核的 Ru@PtxPdy/C 催化剂在直接甲酸燃料电池中的应用
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 催化剂的制备
  • 5.2.2 催化剂的表征
  • 5.2.3 甲酸氧化电催化活性评价
  • 5.2.4 单电池性能测试
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 催化剂的XRD 分析
  • 5.3.2 催化剂的TEM 分析
  • 5.3.3 催化剂的XPS 分析
  • 5.3.4 催化剂的电催化性能
  • 5.3.5 催化剂的单电池性能测试
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 含有少量 Pd 的核壳结构 Ru@PtPd/C 催化剂在碱性介质中对乙醇氧化的电催化活性研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验部分
  • 6.2.1 催化剂的制备
  • 6.2.2 催化剂的表征
  • 6.2.3 乙醇氧化电催化活性评价
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 催化剂的XRD 分析
  • 6.3.2 催化剂的形貌
  • 6.3.3 催化剂的XPS 分析
  • 6.3.4 催化剂的电催化性能
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 含有少量 Ir 的核壳结构 Ru@PtIr/C 催化剂在碱性介质中对乙醇氧化的电催化活性研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 实验部分
  • 7.2.1 催化剂的制备
  • 7.2.2 催化剂的表征
  • 7.2.3 乙醇氧化电催化活性评价
  • 7.3 结果与讨论
  • 7.3.1 催化剂的XRD 分析
  • 7.3.2 催化剂的形貌
  • 7.3.3 催化剂的XPS 分析
  • 7.3.4 催化剂的电催化性能
  • 7.4 本章小结
  • 第八章 高活性的Pt@ Se/C 阴极氧还原催化剂及其抗甲醇性能
  • 8.1 引言
  • 8.2 实验部分
  • 8.2.1 催化剂的制备
  • 8.2.2 催化剂的表征
  • 8.2.3 氧还原电催化活性评价
  • 8.3 结果与讨论
  • 8.3.1 催化剂的XRD 分析
  • 8.3.2 催化剂的形貌
  • 8.3.3 催化剂的XPS 分析
  • 8.3.4 催化剂的电催化性能
  • 8.4 本章小结
  • 第九章 核壳结构RuFeSe@ Pt/C 催化剂的制备及其抗甲醇中毒性能
  • 9.1 引言
  • 9.2 实验部分
  • 9.2.1 催化剂的制备
  • 9.2.2 催化剂的表征
  • 9.2.3 氧还原电催化活性评价
  • 9.3 结果与讨论
  • 9.3.1 催化剂的XRD 分析
  • 9.3.2 催化剂的TEM 分析
  • 9.3.3 催化剂的电催化性能
  • 9.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 附件

    • 相关论文文献

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