手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

低温燃料电池低铂催化剂的制备及性能研究

高海丽

  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I_f/I_b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,I_f/I_b和Pt/C的相当;继续增加Pt:Ru比,I_f/I_b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@Pt_xPd_y/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@Pt_xPd_y/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@Pt_1Pd_2/C对甲酸氧化的峰电位负移了约200 mV。Ru@Pt_2Pd_1/C催化剂对甲酸的催化氧化性能是Pt_2Pd_1/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@Pt_2Pd_1/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Pt_2Pd_1/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Pt_2Pd_1/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。……   
[关键词]:低温燃料电池;催化剂;甲醇氧化;甲酸氧化;乙醇氧化;氧还原
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2011年
App内打开