本文關鍵詞： 燃料電池 氧還原 薄膜電催化劑 鉑單原子層　出處：《天津理工大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：在各種綠色能源技術中,質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)可以高效地將化學能轉換為電能。由于燃料電池具有低碳或零碳排放的特點,因此在過去十年內受到了科研工作者的廣泛關注。但是燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化應用卻受到高Pt催化劑需求量的影響而受到了嚴重的阻礙,因為Pt催化劑不僅價格昂貴,且資源有限。脫合金納米多孔金屬由于具有特殊的結構和電化學性能而在燃料電池的開發(fā)應用上具有潛在價值。通過在適宜的電解液中腐蝕商業(yè)化的合金薄膜得到的納米多孔金(nanoporous gold,NPG),這種材料本身就可以作為一些電極反應的催化材料,進一步對其表面功能化,所得到的納米多孔金基催化劑對燃料電池而言更加具有獨特的結構優(yōu)勢,例如高比表面積,高電子傳導率,高穩(wěn)定性和高的貴金屬利用率。因此,本論文以納米多孔金為基底,通過不同方法制備原子層級Pt殼催化劑,并探究它們的形貌與性能,以及在電催化和燃料電池領域的應用。具體研究內容如下:(1)通過Cu欠電位沉積-原位置換的方法,構建了一種自支撐的納米多孔金屬電催化劑,它有著亞納米厚的PtPd殼,開始的ORR質量活性在0.9V(vs RHE)時達到了1.140 A mgPt~(-1)。在30000個電勢循環(huán)后質量活性達到了1.471 A mgPt~(-1),并且穩(wěn)定至100000個電勢循環(huán)。利用一氧化碳掃除和甲酸電氧化實驗推測出活性改變的起源------表面結構演化。從開始的PtPd合金殼到表面富鉑的三元合金表面結構,再到最后的統(tǒng)一穩(wěn)定的PtPdAu三元合金結構。(2)通過化學還原沉積的方法,在納米多孔金表面修飾原子層級的Pt殼層,成功制備了NPG-Pt氧還原電催化劑。該催化劑在酸性電解質中對于氧還原反應有著優(yōu)秀的催化活性,與商業(yè)Pt/C催化劑相比,該催化劑可以在0.9 V(vs RHE)實現(xiàn)0.44 A mgPt~(-1)的質量活性,相比商業(yè)催化劑,催化活性增強近2.8倍。此外,該催化劑材料顯示出卓越的穩(wěn)定性。經(jīng)過30000個電勢循環(huán)掃描后,僅有17 mV半波電位負移。最后,將NPG-Pt催化劑材料應用于直接甲醇燃料電池和氫氧燃料電池中,結果顯示該類型催化劑在提高Pt的利用率,降低Pt載量方面具有顯著優(yōu)勢,歸一到單位Pt質量的電池最大功率密度相對于商業(yè)催化劑分別具有20倍和1.7倍的提高。
[Abstract]:Among various green energy technologies, proton exchange membrane fuel cells can efficiently convert chemical energy into electric energy. However, the large-scale commercial use of fuel cells has been seriously hampered by the demand for high Pt catalysts, because Pt catalysts are not only expensive. Due to its special structure and electrochemical properties, dealloyed nano-porous metal has potential application in fuel cell development and application. To the nanometer porous gold, the material itself can be used as a catalytic material for some electrode reactions. For further surface functionalization, the resulting nano-porous gold-based catalysts have unique structural advantages for fuel cells, such as high specific surface area, high electron conductivity, high stability and high noble metal utilization. In this paper, nano-porous gold was used as the substrate to prepare Pt shell catalysts at atomic level by different methods, and their morphology and properties were investigated. And its application in the field of electrocatalysis and fuel cell. The specific research contents are as follows: (1) A self-supporting nano-porous metal electrocatalyst was constructed by Cu under-potential depositation-in-situ displacement method, which has a subnanometer-thick PtPd shell. The initial mass activity of ORR reached 1.140A mgPtttl after 30000 potential cycles, and stabilized to 100000 potential cycles. The activity was estimated by carbon monoxide cleaning and formic acid electrooxidation experiments. Evolution of surface structure from the beginning of the PtPd alloy shell to the surface structure of the platinum-rich ternary alloy, Finally, the uniform and stable structure of PtPdAu ternary alloy. 2) by chemical reduction deposition, the Pt shell at atomic level is modified on the surface of nano-porous gold. NPG-Pt oxygen reduction electrocatalyst was successfully prepared. The catalyst has excellent catalytic activity for oxygen reduction in acidic electrolytes. Compared with commercial Pt/C catalyst, the catalyst can achieve 0.44 A mg PtT-1) mass activity in comparison with commercial Pt/C catalyst. The catalytic activity of the catalyst is nearly 2.8 times higher than that of the commercial catalyst. In addition, the catalyst material shows excellent stability. After 30000 potential cycles, only 17 MV half-wave potential is negatively shifted. The application of NPG-Pt catalyst material in direct methanol fuel cell and hydrogen oxygen fuel cell shows that this type of catalyst has significant advantages in increasing Pt utilization and reducing Pt load. The maximum power density of the cells normalized to Pt mass was increased by 20 times and 1.7 times than that of commercial catalysts, respectively.
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TM911.4

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