乙二醇胶体法制备直接甲醇燃料电池阴极催化剂研究

论文摘要

本文为制备高质量的直接甲醇燃料电池阴极催化剂,采用乙二醇胶体法制备Pt/C和Pt-Ni/C。并通过X-射线衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）以及能量散射光谱（EDAX）等测试方法对催化剂的表面形貌,粒径,晶型结构、元素组成等进行表征。利用旋转圆盘电极在氧饱和的硫酸溶液中的线性电位扫描测试考核催化剂的氧还原反应催化活性,利用玻碳电极在硫酸溶液中的循环伏安测试考核了催化剂的电化学活性面积,在硫酸和甲醇混合溶液中的循环伏安测试考察了阴极催化剂的耐甲醇能力。优化了乙二醇胶体法制备碳载铂基催化剂的制备工艺,得出制备铂金属胶体反应的最佳工艺条件为:还原温度为160℃、pH=10、反应时间3h、过程中通保护气体;碳载体分散的最佳工艺为:碳载体加入到含有25%异丙醇的乙二醇体系中,磁力搅拌与超声分散相结合分散4 h。之后铂胶体浆料与碳载体浆料混合搅拌12 h,加入稀硝酸调节pH至3以下,抽滤、烘干、储存于干燥器中。另外采用乙二醇胶体法制备出了高载量的催化剂,并取得了良好的效果。利用乙二醇胶体法分别制备出具有核壳结构Ptshell-Nicore/C和原子间合金结构PtNialloyed/C的碳载铂镍合金催化剂,进行了两种合金催化剂的物理表征,测试了两催化剂的电化学性能,与Pt/C催化剂进行了比较。发现核壳结构Ptshell-Nicore/C催化剂大幅提高了氧还原反应催化活性,耐甲醇性能也大幅提高,而且降低了催化剂中的Pt用量。很有希望替代Pt/C成为直接甲醇燃料电池阴极催化剂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 直接甲醇燃料电池简介
• 1.2.1 直接甲醇燃料电池（DMFC）基本结构及工作原理
• 1.2.2 直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究现状
• 1.2.3 直接甲醇燃料电池（DMFC）存在的基本问题
• 1.3 直接甲醇燃料电池阴极反应动力学及催化剂
• 1.3.1 氧还原反应动力学
• 1.3.2 阴极催化剂
• 1.4 直接甲醇燃料电池阴极催化剂制备方法
• 1.4.1 浸渍还原法
• 1.4.2 离子交换法
• 1.4.3 气相沉积法
• 1.4.4 胶体法
• 1.5 课题研究意义及主要研究内容
• 第2章 实验材料以及试验方法
• 2.1 实验材料及设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 催化剂的制备
• 2.2.1 碳载体的前处理
• 2.2.2 催化剂的制备
• 2.2.3 电极的制备
• 2.3 电化学测试
• 2.3.1 三电极体系
• 2.3.2 电化学性能测试
• 2.4 催化剂的物理表征
• 2.4.1 XRD 测试
• 2.4.2 TEM 测试
• 2.4.3 扫描电子显微镜和EDAX 电子能谱
• 第3章 乙二醇胶体法制备Pt/C 工艺研究
• 3.1 铂胶体制备工艺研究
• 3.1.1 反应温度对催化剂性能的影响
• 3.1.2 还原反应pH 值对催化剂性能的影响
• 3.1.3 反应中存在少量水对催化剂性能的影响
• 3.2 载体预处理与分散对催化剂性能的影响
• 3.2.1 载体的预处理
• 3.2.2 载体的分散
• 3.3 Pt/C 催化剂制备方法研究
• 3.3.1 乙二醇胶体法与甲醛还原浸渍还原法的比较
• 3.3.2 乙二醇胶体法与乙二醇还原浸渍还原法的比较
• 3.4 高载量催化剂的制备与性能
• 3.4.1 催化剂制备及表征
• 3.4.2 催化剂电化学性能测试
• 3.4.3 催化剂单池性能测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 乙二醇胶体法制备Pt-Ni/C 合金阴极催化剂
• 4.1 Pt-Ni/C 合金催化剂的制备及表征
• 4.2 Pt-Ni/C 合金催化剂电化学性能
• Shell-Ni_core/C'>4.3 新型阴极催化材料Pt_Shell-Ni_core/C
• 4.4 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