直接甲醇燃料電池催化劑制備及其電催化性能研究.pdf

1、直接醇類(lèi)燃料電池(DMFC)因其能量轉(zhuǎn)化效率高、污染低、燃料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源研究的熱點(diǎn)。然而目前制約DMFC商業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸主要包括:(1)催化劑主要使用貴金屬鉑(Pt)基材料導(dǎo)致制造成本價(jià)格昂貴;(2)醇類(lèi)分子在催化劑陽(yáng)極的低反應(yīng)活性及醇分子從陽(yáng)極滲透到陰極影響陰極催化劑性能等。因此，尋找低成本、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑成為DMFC的研究重點(diǎn)。本文探索研究制備了氮摻雜卷曲石墨烯(NG)、氮摻雜卷曲石墨烯負(fù)載Pt納米粒子

2、復(fù)合物(PtNPs/N-GNSs)、氮摻雜介孔碳(NMPCs)負(fù)載PtRu納米粒子復(fù)合物(PtRu/NMPCs)、氮摻雜中空碳球(N-HCS)、氮摻雜中空碳球負(fù)載Pt納米粒子復(fù)合物、水熱碳化殼聚糖修飾碳納米管(CNTs)負(fù)載Pt納米粒子復(fù)合物(Pt/C-Chitosan@CNTs)，并將所制備材料應(yīng)用作DMFC陽(yáng)極/陰極催化劑研究，主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容:
　　(1)以聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)為氮源、GO作為還原石墨烯

3、(RGO)前驅(qū)體，通過(guò)超聲空化輔助氫內(nèi)爆法（不同超聲強(qiáng)度）制備系列氮摻雜卷曲石墨烯(NG)催化劑。采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線衍射分析(XRD)、拉曼光譜(Raman)等方法對(duì)系列NG進(jìn)行測(cè)試表征，結(jié)果顯示系列NG不僅具有不同的卷曲折疊結(jié)構(gòu)，同時(shí)擁有不同的氮摻雜型體和還原度特性;電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示具有高還原度、折疊卷曲結(jié)構(gòu)、毗啶和石墨型氮摻雜為主的NG-700擁有很好的ORR催化

4、活性（近似的四電子ORR催化過(guò)程），高抗甲醇滲透性能，其ORR催化長(zhǎng)期穩(wěn)定性較商業(yè)Pt/C(E-TEK)更好。
　　(2)以聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)為氮源、氧化石墨烯(GO)作為還原石墨烯(RGO)前驅(qū)體，通過(guò)超聲空化輔助氫內(nèi)爆法制各氮摻雜卷曲石墨烯負(fù)載Pt納米粒子復(fù)合物(PtNPs/N-GNSs)催化劑。采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)等儀器對(duì)PtNPs/N-GNSs進(jìn)行表

5、征測(cè)試，結(jié)果顯示:Pt NPs/N-GNSs不僅具有卷曲的結(jié)構(gòu)，而且N-GNSs載體擁有氮摻雜、高還原度的特性;電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，PtNPs/N-GNS催化劑擁有比PtNPs/PDDA-RGO更好的電催化甲醇氧化活性和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。
　　(3)以過(guò)硫酸銨為氧化劑引發(fā)吡咯單體（Py，作為碳源、氮源）在納米SiO2球表面聚合形成聚吡咯Ppy/二氧化硅(SiO2)復(fù)合物，再通過(guò)水熱、碳化及刻蝕處理得到均一的氮摻雜中空碳球(N-HCS

6、)催化劑。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)和ASAP-2020比表面分析儀等對(duì)N-HCS進(jìn)行表征測(cè)試，結(jié)果顯示N-HCS的比表面積為759m2·g-1，碳球直徑約為370nm，壁厚約為15nm，主要為吡啶和石墨型摻雜氮;采用CV及LSV等方法檢測(cè)N-HCS在堿性條件下的ORR催化活性，結(jié)果顯示其不僅擁有近似四電子ORR催化途徑，而且具有高ORR催化活性和抗甲醇滲透能

7、力。
　　(4)以氮摻雜中空碳球(N-HCS)為載體，利用微波輔助乙二醇還原法制備氮摻雜中空碳球負(fù)載Pt納米粒子復(fù)合物(Pt/N-HCS)催化劑。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、能量散射光譜(EDS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)和X射線光電子能譜(XPS)等儀器對(duì)Pt/N-HCS進(jìn)行測(cè)試表征，結(jié)果顯示粒徑～2.64nm的Pt納米粒子均勻地分散在N-HCS載體表面。其中Pt在Pt

8、/N-HCS中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18.76％;電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，Pt/N-HCS催化劑擁有比商業(yè)Pt/C(E-TEK)更高的電催化甲醇氧化活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
　　(5)通過(guò)直接碳化沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料(ZIF-8)制備氮摻雜多面體介孔碳材料(NMPCs)。采用X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、氮?dú)馕摳健射線光電子能譜分析(XPS)等儀器對(duì)NMPCs進(jìn)行測(cè)試表征，結(jié)果顯示: NMPCs不僅具有均

9、一的多面體形外貌、高比表面積(1960m2·g-1)、大孔容(1.16cm3·g-1)、窄孔徑分布(～3.6nm)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有氮摻雜屬性（氮含量為3.75％）。將NMPCs作為載體材料，通過(guò)微波輔助還原法制備PtRu/NMPCs復(fù)合物催化劑，結(jié)果顯示:平均粒徑為1.9±0.3nm的PtRu納米顆粒均勻分散在NMPCs表面;電化學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，PtRu/NMPCs不僅擁有比商業(yè)PtRu/C(E-TEK)更高的電催化甲醇氧化活性和長(zhǎng)期循

10、環(huán)穩(wěn)定性，而且其對(duì)甲醇的電催化氧化主要受擴(kuò)散控制影響。
　　(6)通過(guò)水熱還原法制備碳化殼聚糖修飾碳納米管負(fù)載鉑納米粒子復(fù)合物(Pt/C-Chitosan@CNTs)催化劑。采用透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線衍射分析(XRD)、拉曼光譜(Raman)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)等儀器對(duì)Pt/C-Chitosan@CNTs進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果顯示水熱還原法不僅使C