有機(jī)物改性直接醇類燃料電池電催化劑研究.pdf

1、直接醇類燃料電池(DAFC)具有無(wú)污染、燃料來(lái)源廣、能量轉(zhuǎn)化率高、儲(chǔ)存和運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電源、電動(dòng)機(jī)車和野外電站等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)解決當(dāng)前世界面臨的能源短缺和環(huán)境污染兩大難題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，電極電催化劑的低活性及高價(jià)格仍是阻礙DAFC商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。提高催化劑活性、降低貴金屬用量是推動(dòng)DAFC商業(yè)化發(fā)展的重要途徑。 本論文主要研究有機(jī)化合物(染料、Nafion、脂肪胺、芳胺等)對(duì)DAFC電催

2、化劑或載體的改性，通過(guò)傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線能量散射譜(EDS)、循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)阻抗(EIS)、計(jì)時(shí)-電流法、Tafel極化曲線等分析測(cè)試技術(shù)，對(duì)電催化劑、電極的形貌、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了詳細(xì)研究。本論文的主要研究工作如下： (1)以Nafion—硫堇(Nf—Th)離子對(duì)為分散劑和助催化劑，制備了負(fù)載于活性炭上的催化劑NfThPt/C。采用電化

3、學(xué)方法考察了NfThPt/C催化劑與商業(yè)催化劑E—TEK Pt/C、E—TEK PtRu/C對(duì)甲醇的電催化氧化性能。結(jié)果表明：在相同金屬催化劑擔(dān)載量情況下，甲醇在NfThPt/C/石墨電極上的氧化峰電流密度分別是E—TEK Pt/C/石墨電極、E—TEK PtRu/C/石墨電極上的7.25倍和3.04倍，而且NfThPt/C催化劑具有較好的抗中毒能力和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。Nf—Th離子對(duì)明顯提高了催化劑Pt對(duì)甲醇的電催化氧化活性。

4、(2)將有機(jī)染料中性紅(NR)引入陽(yáng)極催化劑體系，采用CV、EIS和極化曲線方法考察了Pt/NR/石墨電極對(duì)甲醇的電催化氧化性能。在相當(dāng)Pt催化劑沉積量下，Pt/NR/石墨電極上的交換電流密度和比活性(SA)分別是Pt/石墨電極上的1.25倍和1.83倍，而且具有更好的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。 (3)采用化學(xué)方法制備了乙二胺接枝改性碳納米管(ED/CNTs)以及催化劑PtRu/ED/CNTs和Pt/ED/CNTs。FTIR結(jié)果表明，ED

5、已成功地接枝到了CNTs表面。TEM結(jié)果表明ED/CNTs載體更有利于PtRu和Pt納米顆粒的分散和細(xì)小化。在金屬催化劑擔(dān)載量相同時(shí)，PtRu/ED/CNTs和Pt/ED/CNTs催化劑對(duì)乙醇的電催化氧化活性高于PtRu/CNTs和Pt/CNTs催化劑，Pt/ED/CNTs催化劑的催化活性甚至高于PtRu/CNTs。ED/CNTs是乙醇氧化電催化劑的良好載體。 (4)以導(dǎo)電聚合物聚中性紅(PNR)修飾的石墨電極為載體，負(fù)載催化劑

6、Pt，并用于酸性介質(zhì)中乙醇的電催化氧化。Pt/PNR/石墨電極對(duì)乙醇的電催化氧化活性優(yōu)于Pt/石墨電極。當(dāng)石墨電極在5.0×10-4 M NR+0.50 M H2SO4溶液中聚合10圈、催化劑Pt沉積量相當(dāng)時(shí)，乙醇在Pt/PNR/石墨電極上電催化氧化的比活性為3478.00 A C-1，是Pt/石墨電極上(1582.74 A C-1)的2.20倍。結(jié)果表明，PNR有利于Pt納米顆粒的固定，PNR與Pt納米顆粒間的協(xié)同效應(yīng)提高了催化劑Pt

7、對(duì)乙醇的電催化氧化活性及長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。 (5)在5.0×10-2 M鄰苯二胺(oPD)+0.20 M Na2SO4溶液中，在CNTs修飾的玻碳(GC)電極上電化學(xué)聚合鄰苯二胺(PoPD)，然后電化學(xué)沉積Pt納米顆粒，得到Pt/PoPD/CNTs/GC電極，并用于氧的電催化還原研究。結(jié)果表明，Pt納米顆粒在PoPD/CNTs復(fù)合膜上分散性更好且在酸性介質(zhì)中對(duì)氧還原表現(xiàn)出更高的電催化活性。氧還原在Pt/PoPD/CNTs/GC電極

8、上的比活性為524.20 A C-1，是Pt/GC電極上的2.12倍。采用線性掃描伏安法(LSV)在旋轉(zhuǎn)圓盤電極上考察了氧還原在Pt/PoPD/CNTs/GC電極上的動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明，在空氣飽和的0.10 M H2SO4溶液中，氧還原在Pt/PoPD/CNTs/GC電極上以四電子還原方式為主。PoPD/CNTs復(fù)合膜提高了催化劑Pt電催化氧還原的活性。 (6)制備了N-羥基鄰苯二甲酰亞胺(NHPI)-CNTs復(fù)合物，并以其為