以石墨烯為載體的直接甲醇燃料電池陽極電催化劑研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)因其燃料甲醇來源豐富、價格低廉、在常溫下是液體、易于運輸儲存、能量密度高、分子結(jié)構(gòu)簡單、電化學活性高等優(yōu)點,一直是研究的熱點。提高陽極催化劑催化效率也是人們解決DFMC性能不高的方向之一。前人研究表明:不同的合金組成、不同的催化劑載體以及不同制備方法對陽極催化劑的催化活性和穩(wěn)定性有著直接的影響。至今,在鉑基催化劑體系中,PtRu二元合金催化劑是公認的最佳的甲醇電氧化催化劑。石墨烯是最近才發(fā)現(xiàn)的新型納米級材料,

2、具有獨特的石墨平面結(jié)構(gòu),良好的導電性能(103-104 S m-1)和巨大的比表面積(2630 m2g-1),已經(jīng)被作為金屬催化劑載體應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域。基于以上分析,我們開展了以石墨烯為載體的直接甲醇燃料電池陽極電催化劑研究。并通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、能量散射X射線光譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、循環(huán)伏安法(CV)、計時.電流法和計時電位法等技術(shù),對催化劑的形貌、元素組成和電化學性質(zhì)進行了詳細

3、的研究。經(jīng)過大量實驗研究和數(shù)據(jù)結(jié)果分析,得出以下結(jié)論:
　　 (1)采用微波還原法制備了PtRu/Graphene納米催化劑,其PtRu納米顆粒大小約為2.6 nm。在相同金屬催化劑擔載量的條件下,與商業(yè)催化劑E-TEKPtRu/C/GC電極相比,PtRu/Graphene/GC電極對甲醇催化氧化具有較高催化活性。在PtRu/Graphene/GC電極上,甲醇氧化電流密度是PtRu/C/GC電極的1.6倍。通過分析PtRu/Gr

4、aphene/GC電極的電化學活性表面積和計時-電流曲線進一步證明PtRu/Graphene納米催化劑對甲醇氧化的催化效果要優(yōu)于商業(yè)催化劑E-rEK PtRu/C。長期穩(wěn)定性實驗結(jié)果表明,相比于PtRu/C/GC電極,PtRu/Graphene/GC電極具有更好的長期循環(huán)穩(wěn)定性。以上結(jié)果說明,石墨烯做為載體在燃料電池領(lǐng)域是可行的,有效的。
　　 (2)利用磷鉬酸(PMo12)在碳基載體上單原子層自組裝和帶負電特性,功能化修飾石墨

5、烯,制備出分散性好的PMo12-Graphene載體。采用微波還原法制備出PtRu/PMo12-Graphene納米催化劑。與相同條件下制得的PtRu/Graphene納米催化劑相比,PtRu/PMo12-Graphene納米催化劑具有分散性好、粒徑小的優(yōu)勢。從CV曲線結(jié)果可知,PtRu/PMo12-Graphene/GC電極的甲醇氧化單位質(zhì)量電流密度是PtRu/Graphene/GC電極的1.5倍。通過一氧化碳剝離實驗,進一步得到Pt

6、Ru/PMo12-Graphene納米催化劑電化學活性表面積是48.05 m2 g-1,遠大于PtRu/Graphene納米催化劑(15.90 m2g-1)。從而證明PtRu/PMo12-Graphene納米催化劑對甲醇催化氧化具有很好催化效果。長期穩(wěn)定性實驗結(jié)果表明,相比于PtRu/Graphene/GC電極,PtRu/PMo12-Graphene/GC電極具有更好的長期循環(huán)穩(wěn)定性。以上結(jié)果說明,PtRu/PMo12-Graphene

7、中的PMol2在PtRu/Graphene納米催化劑催化氧化甲醇的過程中,起到非常重要的作用。
　　 (3)利用甲基紫(MV)通過π-π吸附作用非共價功能化修飾石墨烯,保持了石墨烯原有的電子結(jié)構(gòu),阻止了石墨烯薄片的團聚,得到了分散性好的MV-Graphene載體。甲基紫帶正電的特性,有利于PtRu納米顆粒在MV-Graphene載體上沉積,并有效地阻止了金屬納米顆粒的團聚。采用化學沉積法成功制備了PtRu/MV-Graphene

8、納米催化劑。PtRu/MV-Graphene/GC電極的甲醇氧化電流密度是7.6 mA cm-2,為PtRu/Graphene/GC電極的1.7倍,且PtRu/MV-Graphene/GC電極的電化學活性表面積要大于PtRu/Graphene/GC電極。結(jié)果表明PtRu/MV-Graphene納米催化劑對甲醇的電催化活性明顯高于PtRu/Graphene納米催化劑。計時-電流曲線和計時-電位曲線結(jié)果表明,PtRu/MV-Graphene