IrNi-C燃料電池氫陽極催化劑的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于能量轉(zhuǎn)化率高、電流密度大、對負(fù)荷響應(yīng)快、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而具有廣闊的應(yīng)用前景。作為PEMFC的關(guān)鍵材料之一,陽極催化劑對PEMFC的發(fā)展和商業(yè)化具有舉足輕重的作用。目前,PEMFC所用陽極催化劑的有效成分仍以鉑為主,然而,鉑基催化劑存在的高成本、低穩(wěn)定性等問題,嚴(yán)重阻礙了PEMFC的商業(yè)化進(jìn)程。此外,現(xiàn)有催化劑的制備方法大多存在過程復(fù)雜、成本較高、或形貌難控、大量使用有毒試劑等問題,因而難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商

2、業(yè)化生產(chǎn)。因此,尋找一種簡易高效的制備方法,生產(chǎn)高活性、低成本的陽極催化劑對于PEMFC商業(yè)化具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。
　　論文通過發(fā)明的溶劑蒸發(fā)-H2還原法(SE-HR法),獲得一種高活性的PEMFC非鉑陽極催化劑——碳載IrNi合金納米粒子(IrNi/C)。該方法以水為溶劑,氨水為pH調(diào)節(jié)劑及絡(luò)合劑,在適當(dāng)條件下引發(fā)銥、鎳金屬前驅(qū)體在碳載體上形成分散均勻的Ni(NH3)nIrCl6絡(luò)合物;然后在高溫下經(jīng)還原氣氛處理,使其

3、在碳載體上原位還原并合金化,從而獲得均勻負(fù)載的銥鎳合金納米粒子。
　　論文對SE-HR法合成IrNi/C催化劑的最佳工藝及合成機(jī)理進(jìn)行了探索和探討。在合成工藝最優(yōu)化過程中,主要研究了pH值調(diào)節(jié)劑、退火溫度及初始Ir/Ni原子比對催化劑形貌及電催化性能的影響,得到一系列晶格常數(shù)(afcc)位于3.8416埃至3.6649埃之間的IrNi/C催化劑。采用X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、電化學(xué)

4、測試及單電池測試對催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌、組成及電化學(xué)性能進(jìn)行表征。獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:
　?、賆RD、XPS及TEM測試證明,采用SE-HR法成功合成IrNi/C催化劑,其中IrNi為合金結(jié)構(gòu),IrNi納米粒子呈球形均勻分散在碳載體上,無團(tuán)聚現(xiàn)象。
　?、谠诔跏糏r/Ni原子配比為1:1,以NH3·H2O為pH調(diào)節(jié)劑及絡(luò)合劑,退火溫度為500℃的條件下制備的催化劑IrNi/C-NH3-500具有最佳的氫氧化催化活性,其電化學(xué)活性

5、比表面積(ECSA)高達(dá)76.7m2g-1Ir,大于商業(yè)化JM Pt/C(63.6 m2g-1Pt),實(shí)驗(yàn)條件下IrNi/C-NH3-500催化劑的極限電流密度(質(zhì)量活性)為458A gIrNi-1,高于商業(yè)化JM Pt/C(411A gPt-1)。單電池測試進(jìn)一步表明在實(shí)際工況下,IrNi/C-NH3-500作陽極催化劑時(shí)開路電位接近JM Pt/C催化劑,功率密度高達(dá)960mW cm-2,足以媲美Pt/C催化劑。TEM測試表明IrNi

6、/C-NH3-500催化劑的平均粒徑約為2.1nm。EDS及XPS分析表面實(shí)際Ir/Ni原子比例為2:1,雜質(zhì)含量幾乎為零。
　?、蹖υ撓盗写呋瘎┻M(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),以其質(zhì)量活性為縱坐標(biāo),催化劑納米粒子晶格常數(shù)(afcc)為橫坐標(biāo)作圖,可獲得一火山型曲線:催化劑催化活性隨著催化劑afcc的減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,其中IrNi/C-NH3-500(afcc=3.7325埃)占據(jù)火山型頂點(diǎn)。我們認(rèn)為,這是電子結(jié)構(gòu)效應(yīng)與表面結(jié)構(gòu)效應(yīng)共同