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碳黑及介孔碳负载铂催化剂的稳定性及耐毒化性研究

2020-12-17阅读(697)

碳黑及介孔碳负载铂催化剂的稳定性及耐毒化性研究

论文摘要

PEMFC在长时间运行后其输出功率会降低,其中两种重要原因就是其阴极催化剂会发生老化现象以及受到空气中杂质气体的影响而发生毒化现象,本文通过多元醇微波还原法制备Pt/C以及Pt/OMC催化剂对这两个问题分别进行了考察。为了考察空气中存在的NOx对Pt/C催化剂催化性能的影响,本文利用旋转圆盘电极,考察NOx存在的情况下Pt/C催化剂对ORR的催化活性。发现,吸附NOx之后的Pt/C催化剂对ORR催化活性降低到了原来了的1.5%,表明NOx能在Pt表面强烈地吸附而使催化剂发生毒化。将不同旋转圆盘电极转速下测得的毒化之后的Pt/C催化剂对ORR催化活性曲线进一步分析,可知,NOx对Pt/C催化剂的毒化机理为NOx的存在只是占据了Pt表面的反应活性位,并不参与ORR的反应过程。随后,通过循环伏安扫描对不同电位下的Pt/C催化剂对NOx的吸附情况进行了考察,发现Pt颗粒表面以金属态存在时对NOx的吸附量比较大,而以氧化态存在时对NOx不吸附或者吸附量比较少,说明Pt/C催化剂对NOx的吸附是化学吸附过程。最后通过循环伏安扫描对毒化之后的Pt/C催化剂的催化性能的恢复情况进行了考察,在0-1.5V的电位区间内,吸附在Pt/C催化剂上的NOx会发生氧化还原反应,连续5次电位循环即可将其完全去除,Pt/C催化剂电化学活性面积得以完全恢复。为了考察介孔碳作为PEMFC阴极催化剂载体材料的适用性,本文通过硬模板法自合成介孔碳材料。通过NOx毒化实验发现,NOx对Pt/OMC催化剂与相同载量的Pt/C催化剂的毒化程度一致。随后,进行了Pt/OMC催化剂的老化实验,实验结果表明,经过1000次电位循环后,Pt/OMC以及Pt/C催化剂电化学活性面积下降到原来的30.5%与55.8%,而老化后对ORR催化活性仅仅下降至原来的45.3%及49.3%,老化后Pt/OMC催化剂拥有比Pt/C催化剂低的电化学活性面积以及比其要高的对ORR催化活性。经过分析认为,老化后的Pt/OMC催化剂电化学活性面积下降较快的原因是介孔碳表面的含氧基团数量较少,导致Pt与载体之间的作用力较弱,Pt颗粒更容易团聚；老化前后Pt/OMC催化剂拥有较高的对ORR催化活性的原因应该归因于Pt颗粒表面有利于ORR反应的晶型比例比较高以及Pt与C之间的电子效应。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 燃料电池概况
  • 1.2 PEMFC简述
  • 1.2.1 PEMFC技术的发展
  • 1.2.2 PEMFC工作原理
  • 1.3 PEMFC阴极催化剂
  • 1.3.1 Pt/C及Pt-M/C催化剂
  • 1.3.2 电催化剂载体材料的研究及应用
  • 1.4 PEMFC阴极催化剂的老化及毒化
  • 1.4.1 阴极催化剂的老化
  • 1.4.2 阴极催化剂的毒化
  • 1.5 本课题的研究意义
  • 1.6 本课题的研究内容
  • 第2章 实验材料与研究方法
  • 2.1 实验药品与仪器
  • 2.1.1 实验药品
  • 2.1.2 实验仪器与设备
  • 2.2 催化剂薄膜工作电极的制备
  • 2.3 催化剂结构表征以及电化学性能测试
  • 2.3.1 物理表征
  • 2.3.2 电化学性能表征
  • x对Pt/C催化剂氧还原活性的毒化及机制'>第3章 NOx对Pt/C催化剂氧还原活性的毒化及机制
  • 3.1 引言
  • 3.2 催化剂制备与结构分析
  • 3.2.1 40%Pt/C催化剂制备
  • 3.2.2 EDS能谱分析
  • 3.2.3 XRD测试分析
  • 3.2.4 TEM测试结果
  • 3.3 催化剂电化学测试分析
  • 3.3.1 催化剂的电化学活性面积考察
  • x吸附前后Pt/C催化剂CV图分析'>3.2.2 NOx吸附前后Pt/C催化剂CV图分析
  • x的吸附'>3.3.3 不同工作电位下Pt/C催化剂对NOx的吸附
  • x的存在对Pt/C催化剂ORR催化活性的影响'>3.3.4 NOx的存在对Pt/C催化剂ORR催化活性的影响
  • x对Pt/C催化剂毒化机理分析'>3.3.5 NOx对Pt/C催化剂毒化机理分析
  • 3.3.6 毒化后Pt/C催化剂催化性能的恢复
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 介孔碳负载Pt催化剂的耐毒化以及稳定性研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 有序介孔材料的制备
  • 4.2.1 有序介孔二氧化硅（SBA-15）的制备及表征
  • 4.2.2 介孔碳的制备及表征
  • 4.3 介孔碳与碳粉的比表面积对比
  • 4.4 介孔碳与碳黑XPS分析
  • 4.5 介孔碳与碳黑的电化学腐蚀测试
  • 4.6 Pt/OMC和Pt/C催化剂的制备及物理表征
  • 4.6.1 催化剂的制备
  • 4.6.2 催化剂EDS能谱测试
  • 4.6.3 催化剂的XRD测试
  • 4.6.4 催化剂的XPS能谱测试
  • 4.7 Pt/OMC及Pt/C催化剂的电化学测试
  • x毒化测试'>4.7.1 Pt/OMC催化剂的耐NOx毒化测试
  • 4.7.2 Pt/OMC催化剂的老化测试
  • 4.8 本章小结
  • 结论
  • 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文
  • 致谢

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