【摘要】：隨著傳統(tǒng)能源的枯竭,燃料電池憑借著其高能量密度且零污染的優(yōu)勢受到廣大科研學(xué)者的青睞。燃料電池雖經(jīng)歷了近200年的研究,但商業(yè)化面臨的最大挑戰(zhàn)仍是陽極緩慢的動力學(xué)問題與高昂的催化劑材料的限制。本文主要選擇以納米多孔金獨特三維雙連續(xù)結(jié)構(gòu)為載體與高活性Pt基合金納米粒子來制備負載型Pt基催化劑,降低Pt基催化劑的載量同時提高甲醇燃料電池陽極動力學(xué)并且提高甲醇甲酸電催化活性。對于甲醇的催化,PtRu催化劑一直被認為是催化甲醇的最好材料,本文通過電沉積制備了納米多孔金負載的核殼納米粒子薄膜催化劑(NPG-PtRu),并通過TEM,HR-TEM等手段對材料進行表征。利用循環(huán)伏安,線性伏安法,CO抗中毒性能測試等方法,探究了NPG載體與Ru在該催化劑中的作用機理,并且對NPG-PtRu催化劑中的Pt/Ru原子比例(16:1,2:1,1:1,1:1.8)進行了比選,隨后我們將優(yōu)選后的催化劑Pt_4Ru_4進行了不同載量比選。最終,我們選擇20cycles載量(0.25 mg Pt)的NPG-Pt_4Ru_4在實際直接甲醇燃料電池裝置中進行了電子負載功率性能測試,組裝后的單電池在80℃下最大輸出功率為96mW/cm~2在甲醇燃料電池上體現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能與應(yīng)用前景。其次,以甲酸為研究對象,以高氯酸鉛為Pb源和亞氯鉑酸鉀為Pt源通過Pb的欠電位沉積結(jié)合原位還原制備出NPG負載的PtPb納米粒子薄膜催化劑,采用循環(huán)伏安法研究其甲酸的電催化性能與抗中毒能力。研究發(fā)現(xiàn),改變NPG襯底上沉浸Pt/Pb的沉積順序,分別制備出NPG-Pt-Pb和NPG-Pb-Pt催化劑,均能使得甲酸的起始電位明顯降低,氧化電流密度增大且抗中毒性能增強,性能明顯優(yōu)于JM-Pt/C(20%)。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O643.36;TM911.4
【圖文】：

圖 1-1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理發(fā)生的陽極反應(yīng)為(以氫氣，甲醇，甲酸為例)：H2= 2H++ 2e-CH3OH + H2O = CO2+ 6H++ 6e-HCOOH = CO2+ 2H++ 2e-發(fā)生的陰極反應(yīng)為：O2+ 4H++ 4e- = 2H2O在燃料電池里陰極發(fā)生的氧氣還原(oxygen reduction reaction ORR)被證明是制約燃料電池發(fā)展的重要原因之一。以氫氧燃料電池為例，與陽極氫氣上的交換密度相比，陰極氧氣在催化劑上的交換電流密度較小，因此氫氧燃料電池里陰極緩慢的動力學(xué)過程一直是科研工作者研究的重點。不同催化劑對電極表面氧還原的催化反應(yīng)各有差異，這取決于氧分子及反應(yīng)中間離子或產(chǎn)物在電極表面上的吸附行為，因為不同的金屬對氧氣分子的吸附能不同，吸附能的大小由金屬的

圖 1-2 甲醇氧化機理圖）直接甲醇燃料電池存在問題及應(yīng)用現(xiàn)狀甲醇燃料電池（DMFC）可應(yīng)用在電子產(chǎn)品，小型，中型及軍用傳軍事領(lǐng)域。DMFC 能量密度高，結(jié)構(gòu)簡單，易于補給，需 UPS 連續(xù)工作，大大提高傳感器，偵查器工作時間。DMFC 在便攜式，軍事設(shè)備和生物醫(yī)療設(shè)備中具有很廣泛的應(yīng)用空間。與氫氧質(zhì)池（PEMFC）相比，甲醇燃料電池不需要復(fù)雜的儲氫過程，不空氣進行濕潤加濕處理，也不需要對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進行細致的改在充放電，儲液，配電管理方面，甲醇燃料電池比較容易處理于中小型設(shè)備[43-45]。甲醇緩慢的陽極動力學(xué)，甲醇的膜滲透本高，催化劑使用壽命低以及中間產(chǎn)物 CO 中毒等多種實際問題與陰極氧氣還原具有更高的過電勢，導(dǎo)致 DMFC 的性能顯著降低了 DMFC 的商業(yè)化發(fā)展。

圖 1-3 直接甲醇燃料電池（DMFC）的應(yīng)用1.4.3 甲酸電催化及燃料電池研究進展（一）甲酸電催化機理甲酸的電催化路徑與甲醇十分相似，電催化路徑分為直接路徑與間接路徑，在商業(yè) JM-Pt/C 中正掃過程有兩個氧化峰，以 RHE 為參考電位，在 0.5 V 附近歸于甲酸的直接途徑，甲酸直接被氧化成二氧化碳（CO2），0.9 V 附近歸于甲酸的間接途徑，甲酸氧化產(chǎn)生 CO 中間產(chǎn)物再被氧化成 CO2[46-48]。關(guān)于甲酸氧化存在兩種主流的觀點，第一是，日本的 M.Osawa 科研學(xué)者通過電化學(xué)原位紅外光譜實驗?zāi)軌虼_定甲酸在鉑基催化劑表面直接路徑生成甲酸鹽活性中間產(chǎn)物；另外一種與此幾乎相反的的觀點是，德國科學(xué)家 R. J. Behm 教授科研學(xué)者提出甲酸氧化成的中間產(chǎn)物甲酸鹽含量與甲酸濃度不成比例，認為甲酸的氧化至少存在三

【參考文獻】

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本文編號：2796114