【摘要】：燃料電池是一項(xiàng)清潔、高效、適用領(lǐng)域廣泛的發(fā)電技術(shù)。直接甲酸燃料電池是一種直接將甲酸中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池裝置。它具有理論開路電壓高,安全低毒,燃料滲透率低等優(yōu)點(diǎn)。然而,對貴金屬電催化劑的依賴使甲酸電池成本居高不下。同時,陽極催化劑的失活快也影響了電池的工作壽命。本文基于苯胺類聚合物和硝酸鹽類化合物,對非貴金屬氧還原催化劑的原位合成工藝和電催化活性進(jìn)行了探究。本文還研究了甲酸氧化反應(yīng)的催化特性,并組裝了直接甲酸燃料電池來檢驗(yàn)催化劑的實(shí)際發(fā)電能力。本文以聚苯胺為碳、氮前驅(qū)體,納米碳酸鈣為造孔劑,合成了一種具有較高氧還原活性的非貴金屬催化劑,并對催化劑進(jìn)行了電化學(xué)分析。研究表明,使用納米碳酸鈣能夠賦予催化劑多孔的結(jié)構(gòu),并增加比表面積,提升了催化活性。研究發(fā)現(xiàn),在催化劑中摻雜硝酸鹽,能夠提升其氧還原活性。最后實(shí)驗(yàn)研究了熱處理溫度對催化活性的影響,結(jié)果顯示850℃下處理得到的催化劑具有最高的氧還原峰電位。為了增強(qiáng)載體與過渡金屬鈷的結(jié)合,本文用聚鄰苯二胺代替聚苯胺作為催化劑前驅(qū)體。實(shí)驗(yàn)證明,鄰苯二胺與鈷有較強(qiáng)的配位能力,能夠形成原位合成鈷氮摻雜的多孔碳催化劑。該材料具有更高的鈷含量和更高的催化活性。之后對催化劑的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化。本文應(yīng)用了液氮閃凍加冷凍干燥技術(shù)使前驅(qū)體中各組分分布更均勻,提高了催化劑的比表面積,還確定了引發(fā)劑和硝酸鈷的最佳加入比例。制得的催化劑在0.5M硫酸中的氧還原半波電勢可達(dá)0.73V(vs.RHE)。在旋轉(zhuǎn)圓盤測試中,該非貴金屬催化劑在硫酸中的起始氧還原電勢已非常接近商業(yè)28.6%Pt/C。本文還制備了 20%Pd/XC-72催化劑,并研究了甲酸氧化反應(yīng)的特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該反應(yīng)具有極快的衰退速率。然而,催化劑在低電位下進(jìn)行析氫反應(yīng),能夠明顯恢復(fù)其反應(yīng)活性。最后,本文組建了直接甲酸燃料電池單電池裝置進(jìn)行了放電功率測試和極化測試。并對電池的工作條件進(jìn)行了探究。陰極使用28.6%Pt/C催化劑時,在60℃下,最高功率密度可達(dá)93mW·cm-2。陰極使用聚鄰苯二胺-硝酸鈷多孔碳催化劑時,電池性能與10%Pt/C催化劑較接近,60℃下最高功率密度達(dá)24mW·cm-2。
【圖文】：

這種設(shè)計極大地提升了燃料電池的產(chǎn)能效率。但ＰＥＭＦＣ的運(yùn)行同時也受到質(zhì)子逡逑交換膜傳導(dǎo)能力的限制，通常只能在溫度較低和水含量較高的條件下進(jìn)行。逡逑ＰＥＭＦＣ的基本結(jié)構(gòu)和各部分功能如圖１－１和表１－２所示：逡逑００逡逑圖１－１氫氧燃料電池單電池分解圖逡逑表１－２邋ＰＥＭＦＣ基本組件逡逑姐件邐＼ｍ邐常見材料逡逑質(zhì)子交換膜邐傳導(dǎo)質(zhì)子邐Ｎａｆｉｏｎ？邋１１２，，１１７，２１１逡逑灥層＝邋化逡逑邐氣還原，同時傳導(dǎo)質(zhì)子和電子邐逡逑氣體擴(kuò)散層邐收集電子并讓燃料和氧氣通過邐破布，y紙，泡沐鎳逡逑流場板使燃料和氧氣，句分布，同時集石墨，不銹鋼＾逡逑邐流導(dǎo)電邐逡逑墊片邐防止燃料和氣體泄漏邐ＰＴＦＥ邐逡逑端板邐固定電堆邐不銹鋼邐逡逑１．２．３．１質(zhì)子交換膜逡逑質(zhì)子交換膜［９］是ＰＥＭＦＣ最核心的部件。目前商業(yè)化最成功的質(zhì)子交換膜仍逡逑４逡逑

Ｇｒｅｅｌｙ等？研究了邋Ｐｔ與不同過渡金屬的合金的ＯＲＲ行為。他們認(rèn)為，氧氣逡逑在金屬表面吸附的吉布斯自由能是影響ＯＲＲ活性的重要因素。其關(guān)聯(lián)可用火山逡逑模型進(jìn)行描述，見圖１－５。通過密度泛函計算發(fā)現(xiàn)，在金屬Ｐｔ表面，吸附氧得到逡逑第一個電子的過程和羥基離去生成水的過程，伴隨著吉布斯自由能的升高，是基逡逑元反應(yīng)中反應(yīng)速率最低的兩個步驟。逡逑９逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TM911.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 葛余俊;鈷、氮摻雜多孔碳作為氧還原催化劑的研究[D];浙江大學(xué);2015年

本文編號：2634245