【摘要】：工業(yè)革新和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)難免會(huì)伴隨著能源短缺和環(huán)境污染的問題,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)作為新型綠色能源動(dòng)力系統(tǒng),具有能源轉(zhuǎn)化率高,安靜,環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)可為21世紀(jì)最具有前景的能源系統(tǒng)之一。但貴金屬Pt作為質(zhì)子交換膜燃料電池必不可缺的催化劑,其稀缺和昂貴的特性大大限制了燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的進(jìn)程。解決上述問題的有效方法之一是利用價(jià)格較低的過渡態(tài)金屬部分取代Pt原子,形成相應(yīng)的合金體系,合金原子通過兩者的協(xié)同效應(yīng),修飾金屬Pt的電子結(jié)構(gòu)。這不僅能夠顯著減少Pt的用量,而且能夠顯著提高其催化活性。小顆粒Pt基晶體能有效提高原子利用率,但同時(shí)保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。目前的大多數(shù)研究都側(cè)重于制備尺寸較小的單晶顆粒,并提高催化活性;而大顆粒單晶由于其極大的改善了納米結(jié)構(gòu)中普遍存在的晶界電荷傳輸損耗,有效提高了電流密度,因此具有優(yōu)異的電荷傳輸性能。二者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合,仍然是催化劑材料制備的難點(diǎn)。結(jié)合以上的工作,本文從減少催化劑成本和提高ORR性能、穩(wěn)定性角度出發(fā),制備了多孔球形、立方形和多足Pt-Ni單晶催化劑。通過抗壞血酸,葡萄糖等還原劑,十二烷基三甲基氯化銨(DTAC)等帽式試劑,對(duì)Pt基納米材料催化劑形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)控,并分別對(duì)它們的氧還原催化性能和循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了表征。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.利用傳統(tǒng)的溶劑熱法,成功合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的大顆粒(47nm)Pt3Ni單晶催化劑。晶體以自組裝方式進(jìn)行生長(zhǎng),帽式試劑DTAC對(duì)多孔與團(tuán)簇(3-5nm)尺寸和數(shù)量的控制起著至關(guān)重要的作用。多孔結(jié)構(gòu)可以有效增加催化劑的活性位點(diǎn);交流阻抗譜測(cè)試結(jié)果表明,單晶的結(jié)構(gòu)能有效降低晶界電阻的大小。ORR測(cè)試顯示,該P(yáng)t3Ni大顆粒多孔單晶催化劑的質(zhì)量活性為商業(yè)化Pt/C的6倍。另外,大顆粒可以有效降低晶體團(tuán)聚和Ostwald熟化幾率,在長(zhǎng)達(dá)10000圈耐久性循環(huán)后,其活性的損失僅為商業(yè)化Pt/C的二分之一。2.利用葡萄糖作為還原劑,DTAC為帽式試劑合成了 Pt1.5Ni納米顆粒,通過TEM觀察到該顆粒具有多通道立方形結(jié)構(gòu),平均邊長(zhǎng)為42.5 nm。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),DTAC在合成此形貌中起了決定性的作用。在無(wú)DTAC,其他實(shí)驗(yàn)條件都相同的情況下,我們得到了形貌不規(guī)則的“飛鏢狀”納米顆粒。ORR性能測(cè)試表明,所合成的多通道立方形Pt1.5Ni納米顆粒具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。與商業(yè)化Pt/C相比,其質(zhì)量活性和比活性分別提高了7.4 和 9.1 倍。3.通過一鍋法合成了結(jié)構(gòu)和組成可控的Pt-Ni納米晶體。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短可以顯著調(diào)節(jié)納米晶體的尺寸和形貌,晶體從四足狀形貌逐漸生長(zhǎng)成多分枝結(jié)構(gòu),且伴隨著平均粒徑的增長(zhǎng)。多足狀結(jié)構(gòu)和較小的顆粒尺寸有利于增加催化反應(yīng)的活性位點(diǎn),因此極大的提高了顆粒中Pt原子的利用率,加之Ni原子的協(xié)同效應(yīng)對(duì)Pt原子電子結(jié)構(gòu)的修飾,實(shí)驗(yàn)表明,元素組成為PtNi1.25的納米晶體的質(zhì)量活性達(dá)到了 0.757 A/mgPt,為相同測(cè)試條件下商業(yè)化Pt/C的9.1倍。
【圖文】：

業(yè)化的燃料電池和燃料電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要大幅降低生產(chǎn)和應(yīng)用的材料和制造成本，能使燃料電池更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性。降低Ｐｔ是一個(gè)主要的突破口。逡逑效推廣燃料電池，當(dāng)務(wù)之急是降低燃料電池的成本、提高燃料電能是至關(guān)重要的一個(gè)方面。逡逑的大規(guī)模應(yīng)用受到陰極反應(yīng)遲緩的極大阻礙。商業(yè)化Ｐ１／Ｃ催化ＯＲＲ催化劑，但是商業(yè)化的Ｐｔ／Ｃ性能較低，無(wú)法滿足當(dāng)代社會(huì)。逡逑換膜燃料電池逡逑換膜燃料電池是為雙子空間飛行器研制的，具有工作溫度低，比室溫下快速啟動(dòng)的諸多優(yōu)點(diǎn)［１４＿１６］。逡逑換膜燃料電池的示意圖如圖１．３所示。逡逑Ｐｒｏｄｕｃｔ邋Ｈ２０逡逑

帶正電荷的質(zhì)子通過膜擴(kuò)散到陰極。電子通過外部電路從陽(yáng)極流向陰極以提供逡逑電能。氧流過電池的陰極。最后，電子、質(zhì)子和氧氣結(jié)合形成水。質(zhì)子交換膜燃料電池逡逑的工作過程、組件和流動(dòng)路徑如圖１．４所示。逡逑半反應(yīng)發(fā)生在催化劑層內(nèi)。催化劑層的組成會(huì)影響燃料電池的性能和催化劑的利用逡逑率。逡逑單個(gè)燃料電池只產(chǎn)生最大大約一伏的電壓，并從這種電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生少量的電能。逡逑控制陽(yáng)極和陰極過程的化學(xué)反應(yīng)和總的反應(yīng)分別表示為如下方程式。逡逑陰極：２／／２邋—邋４Ｈ＋邋＋邋４ｅ—邐（１－８）逡逑陽(yáng)極：0２邋＋邋４Ｈ＋邋＋邋４ｅ－邋—邋２／／２０邐（１－９）逡逑總反應(yīng)方程式：２Ｈ２邋＋邋０２邋—邋２Ｈ２０邐（１－１０）逡逑Ｇ廣￣Ｘ邐邐邋Ｇａｓ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑ＡＡ／Ｖ－ｖ邐門逡逑＼邐Ｉ邋Ｉ邋Ｃａｔａｌｙｓｔ邋ｌａｙｅｒ逡逑Ｉ邋Ｉ邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＿＿邐ｊ邋Ｉ——Ｉ邋（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）逡逑■＾ＶＡ／邋０２逡逑Ｈｚ邋ｖｗ＾邐Ｈ２0逡逑Ａｎｏｄｅ邐Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑圖１．４質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過程、組件和流動(dòng)路徑逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＥＭ邋ｆｉｉｅｌ邋ｃｅｌｌ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑１．３．２限制質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)難題逡逑質(zhì)子交換膜燃料電池作為五大類燃料電池中性能較為突出的一類，具有非常重要的逡逑應(yīng)用價(jià)值。然而，諸多現(xiàn)實(shí)的條件限制了質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用和推廣，尤其是其逡逑陰極氧還原的催化劑［１９＿２（）］。如表１．２中所示，質(zhì)子交換膜燃料電池常常以貴金屬Ｐｔ作為逡逑催化劑
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1;O643.36

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 陳延禧;聚合物電解質(zhì)燃料電池的研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);1996年01期

，

本文編號(hào)：2606006