發(fā)布時(shí)間：2017-04-19 18:04

  本文關(guān)鍵詞：直接甲醇燃料電池膜電極高活性陽(yáng)極催化劑及阻醇研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)今社會(huì)人類對(duì)于能源的需求越來(lái)越高,而化石能源的儲(chǔ)量卻在不斷減少,并在未來(lái)數(shù)十年后逐步走向枯竭,迫使人們尋求清潔、高效率的新能源。燃料電池作為一種新型的能源,憑借其環(huán)保高效、能量密度大、燃料來(lái)源豐富、儲(chǔ)存攜帶方便等諸多優(yōu)點(diǎn),成為國(guó)際上的一個(gè)研究的熱點(diǎn)。直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,簡(jiǎn)稱DMFC)便是其中之一。然而隨著研究的不斷深入,直接甲醇燃料電池的性能始終無(wú)法達(dá)到人們的預(yù)期,與其產(chǎn)業(yè)化更是相距甚遠(yuǎn),其中主要原因是由于其核心組件——膜電極(MEA)的性能無(wú)法達(dá)到要求。具體主要有兩方面的原因:一是陽(yáng)極催化劑的活性及穩(wěn)定性較低,二是陽(yáng)極的甲醇通過(guò)質(zhì)子交換膜直接滲透到了陰極。本文正是在探索高活性陽(yáng)極催化劑和高阻醇特性的質(zhì)子交換膜方面進(jìn)行了深入研究。石墨烯由于具有極高的電導(dǎo)率、極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和超高的比表面積等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是最有希望的催化劑載體來(lái)提高其反應(yīng)活性。但目前以石墨烯為載體的催化劑存在石墨烯片易吸附堆疊,嚴(yán)重影響催化劑孔隙率以及整體性能的問(wèn)題。本文通過(guò)建立直接甲醇燃料電池膜電極模型,重點(diǎn)分析了催化劑孔隙率對(duì)陽(yáng)極傳質(zhì)和電池性能的影響,仿真結(jié)果指出隨著孔隙率的增加,電化學(xué)反應(yīng)活性提升,同時(shí)甲醇滲透逐漸加重。隨后分別利用葡萄糖在高溫下的碳化和乙酰苯胺在酸性環(huán)境下的聚合對(duì)石墨烯載鉑催化劑進(jìn)行修飾,發(fā)現(xiàn)兩種方法能夠明顯提高陽(yáng)極催化劑的孔隙率,改善石墨烯片的吸附堆疊現(xiàn)象,測(cè)試結(jié)果表明催化劑的活性及穩(wěn)定性得到較大提升,與理論分析吻合。而后對(duì)兩種石墨烯載體修飾方法的制備工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,確定了催化劑達(dá)到最佳性能時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)。為了從最大程度上提高催化劑的孔隙率和避免石墨烯片的吸附堆疊,本文研究并制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯氣凝膠,提出并實(shí)現(xiàn)了以其作為載體的具有三維多孔結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該催化劑具有極高的孔隙率和良好的穩(wěn)定性,尤其大大提高了對(duì)甲醇的催化氧化活性,其電化學(xué)活性面積與對(duì)甲醇的催化氧化電流密度分別達(dá)到了驚人的93.5 m2 g-1和876.5 m A mg-1Pt,活性達(dá)到了普通石墨烯擔(dān)載鉑催化劑的約5倍,穩(wěn)定性也達(dá)到了石墨烯擔(dān)載鉑催化劑的3倍。在催化劑活性提高的同時(shí),帶來(lái)了孔隙率較大導(dǎo)致較嚴(yán)重的甲醇滲透問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題,本文系統(tǒng)地研究了浸漬還原法的條件參數(shù)對(duì)質(zhì)子交換膜性能的影響,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)在質(zhì)子交換膜的浸漬過(guò)程中加入電場(chǎng)輔助,來(lái)加快Pd離子向質(zhì)子交換膜內(nèi)的遷移,從而在質(zhì)子交換膜內(nèi)摻雜更多的Pd粒子,進(jìn)一步降低甲醇的滲透。測(cè)試結(jié)果表明采用該方法進(jìn)行質(zhì)子交換膜的改性處理后,能夠顯著降低甲醇的滲透率;同時(shí)對(duì)于浸泡Pd Cl2的溫度、濃度、浸泡裝置兩端的脈沖信號(hào)的頻率,以及信號(hào)的電壓幅度等浸漬參數(shù)進(jìn)行了研究,確定了一系列參數(shù)的最佳值。與傳統(tǒng)方法相比,改性后質(zhì)子交換膜與電池性能得到了明顯的提高。
【關(guān)鍵詞】：直接甲醇燃料電池 陽(yáng)極催化劑 石墨烯氣凝膠 質(zhì)子交換膜 甲醇滲透
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 課題背景12-13
• 1.2 陽(yáng)極催化劑的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-23
• 1.2.1 催化劑組分的研究現(xiàn)狀與分析13-14
• 1.2.2 催化劑結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀與分析14-18
• 1.2.3 催化劑載體的研究現(xiàn)狀與分析18-23
• 1.3 質(zhì)子交換膜改性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀23-25
• 1.4 研究的目的和意義25-26
• 1.5 論文的主要內(nèi)容26-27
• 第2章 DMFC陽(yáng)極催化劑模型分析及研究27-48
• 2.1 引言27
• 2.2 DMFC陽(yáng)極催化劑分子模型分析及實(shí)驗(yàn)研究27-33
• 2.2.1 陽(yáng)極催化劑分子模型仿真分析27-31
• 2.2.2 催化劑活性對(duì)比及分析31-33
• 2.3 陽(yáng)極催化劑二維傳質(zhì)模型及分析33-47
• 2.3.1 模型建立34-40
• 2.3.2 模型求解方法及參數(shù)40-43
• 2.3.3 結(jié)果與討論43-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第3章 高活性陽(yáng)極催化劑的制備研究48-78
• 3.1 引言48
• 3.2 使用的藥品及儀器48-49
• 3.3 高活性催化劑的制備及測(cè)試方法49-52
• 3.3.1 無(wú)定形碳修飾Pt/G-C催化劑的制備49-50
• 3.3.2 聚乙酰苯胺修飾催化劑Pt/PNAA-G的制備50-51
• 3.3.3 催化劑的測(cè)試方法51-52
• 3.4 兩種高活性催化劑的性能分析52-56
• 3.5 兩種高活性催化劑制備參數(shù)的優(yōu)化56-76
• 3.5.1 Pt/G-C催化劑制備參數(shù)的優(yōu)化56-69
• 3.5.2 Pt/PNAA-G催化劑制備參數(shù)的優(yōu)化69-76
• 3.6 本章小結(jié)76-78
• 第4章 氧化石墨烯氣凝膠擔(dān)載鉑催化劑研究78-90
• 4.1 引言78
• 4.2 氧化石墨烯氣凝膠的制備78-80
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)所用藥品與儀器78-79
• 4.2.2 氧化石墨烯氣凝膠的制備79-80
• 4.3 氧化石墨烯氣凝膠載鉑催化劑的制備與測(cè)試方法80-81
• 4.4 氧化石墨烯氣凝膠載鉑催化劑的性能研究81-89
• 4.5 本章小結(jié)89-90
• 第5章 電場(chǎng)輔助Pd-Nafion復(fù)合膜的浸漬還原阻醇改性研究90-112
• 5.1 引言90
• 5.2 Pd-Nafion復(fù)合膜的制備與表征90-96
• 5.2.1 Nafion膜的預(yù)處理91-92
• 5.2.2 浸漬還原法制備Pd-Nafion復(fù)合膜92-93
• 5.2.3 電場(chǎng)輔助I-R法制備Pd-Nafion復(fù)合膜93-95
• 5.2.4 Pd-Nafion復(fù)合膜的性能表征95-96
• 5.3 電場(chǎng)輔助I-R法制備Pd-Nafion復(fù)合膜性能研究96-110
• 5.3.1 Nafion膜改性前后性能對(duì)比96-98
• 5.3.2 浸漬參數(shù)對(duì)Pd-Nafion復(fù)合膜性能的影響98-103
• 5.3.3 脈沖頻率對(duì)Pd-Nafion復(fù)合膜性能的影響103-105
• 5.3.4 電壓幅度參數(shù)對(duì)Pd-Nafion復(fù)合膜性能的影響105-107
• 5.3.5 不同方法制備的Pd-Nafion復(fù)合膜性能比較107-110
• 5.4 本章小結(jié)110-112
• 結(jié)論112-114
• 參考文獻(xiàn)114-126
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文126-128
• 致謝128-130
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷130

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 唐水花;孫公權(quán);齊靜;孫世國(guó);郭軍松;辛勤;Geir Martin HAARBERG;;新型碳材料作為直接醇類燃料電池催化劑載體的評(píng)述[J];催化學(xué)報(bào);2010年01期

2 張華;儲(chǔ)凌;陳雨;陳航榕;;用于PEMFC的介孔碳擔(dān)載鉑氧化鎢電催化劑的制備與表征[J];南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年04期

3 趙彥春;蘭黃鮮;鄧彬彬;田建裊;楊秀林;王鳳陽(yáng);;聚乙酰苯胺修飾碳納米管載鉑催化劑對(duì)甲醇電催化氧化[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2010年08期

  本文關(guān)鍵詞：直接甲醇燃料電池膜電極高活性陽(yáng)極催化劑及阻醇研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：316816