石墨纳米纤维作质子交换膜燃料电池催化剂载体的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）具有能量转化效率高、环境友好、比功率与比能量高等突出特点,可望广泛用于电动汽车、移动电源及固定电站等领域。PEMFC商业化之前,不仅要满足性能方面的要求,还必须具备良好的稳定性、可靠性及寿命。碳载体是PEMFC电催化剂的关键材料之一。至今广泛采用的碳载体为Vulcan XC-72（XC-72）。但在燃料电池高酸性,高电位和高温的电极条件下,碳在水分子的进攻下会发生腐蚀,表面被氧化为CO2或CO。对于在100℃以下运行的PEMFC,仅十万分之几的CO就会导致Pt或Pt/C催化剂严重中毒;碳载体的腐蚀还可以加速高分散Pt聚集。在PEMFC运行和停止的时候,局部的电极电压可以达到1.5V,载体碳的腐蚀速度成数量级增大。碳载体腐蚀导致Pt的电化学表面积降低和Pt的流失/聚结是电催化剂活性与电极使用寿命降低的主要原因之一。那么减缓电极性能和寿命降低的一个方法就是采用更稳定的碳载体。本文采用高温灼烧法回收废旧碳纸,采用高能球磨法制备了石墨纳米纤维（Graphite Nano-Fiber,GNF）;通过TEM、SEM、N2吸附-脱附对GNF的形貌和结构进行表征,结果显示,GNF具有纳米级颗粒,BET表面积为229.3m2/g,中孔较多,由石墨纤维的层状颗粒聚集而成,中孔表面积占总表面积的93.1%;采用恒电位氧化法比较了GNF和XC-72的电化学稳定性,相同条件下,XC-72的峰电流增加了60%,而GNF增加了2%,Pt/C的腐蚀电流比Pt/GNF大40%,表明Pt/C的氧化速度比Pt/GNF大;TEM、XRD测试表明Pt/GNF的Pt分散均匀、Pt粒径为34nm;Pt/GNF具有略高的氢的吸脱附峰值电流,且氢的脱附电位较Pt/C更负,说明Pt/GNF催化剂对氢的氧化过程有良好的电催化能力;恒电位氧化60h后,Pt/C催化剂大约有84.7%Pt电化学表面积损失,Pt/GNF催化剂只有37.2%;在相同催化剂载量下,以Pt/GNF为催化剂的电池性能优于以Pt/C为催化剂的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第一章 文献综述
• 1.1 质子交换膜燃料电池工作原理
• 1.2 质子交换膜燃料电池的结构
• 1.3 电极催化剂
• 1.4 催化剂载体
• 1.4.1 碳黑载体
• 1.4.2 碳纳米管载体
• 1.4.3 碳纳米盘
• 1.4.4 碳纳米分子筛
• 1.4.5 介孔碳载体
• 1.4.6 碳气凝胶载体
• 1.4.7 导电陶瓷载体
• 1.4.8 结语
• 本章小结
• 第二章 催化剂载体GNF 的制备和表征
• 2.1 实验方案与思路
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及药品
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 表征与测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 GNF 的制备
• 2.3.2 GNF 的形态与结构
• 2.3.3 GNF 的BET 表面积与孔分布
• 2.3.4 GNF 的抗氧化性
• 本章小结
• 第三章 Pt/GNF 催化剂的制备和表征
• 3.1 实验方案与思路
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器和试剂
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 表征与测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Pt/GNF 的形态与结构
• 3.3.2 Pt/GNF 的XRD 分析
• 3.3.3 Pt/GNF 的循环伏安曲线和电化学比表面积
• 3.3.4 Pt/GNF 的耐腐蚀性
• 本章小结
• 第四章 Pt/GNF 催化剂单电池制作测试
• 4.1 实验方案与思路
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器和试剂
• 4.2.2 MEA 制作
• 4.3 测试与表征
• 4.3.1 单电池安装
• 4.3.2 单电池接入测试系统
• 4.3.3 电池气体检漏
• 4.3.4 电池测试
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 Pt/GNF 催化剂的电池性能
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 设计部件结构尺寸图
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢