直接甲醇燃料電池膜電極高活性陽極催化劑及阻醇研究.pdf

1、現(xiàn)今社會人類對于能源的需求越來越高，而化石能源的儲量卻在不斷減少，并在未來數(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、燃料來源豐富、儲存攜帶方便等諸多優(yōu)點，成為國際上的一個研究的熱點。直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡稱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法達到人們的預(yù)期，與其產(chǎn)業(yè)化更是相距甚

2、遠，其中主要原因是由于其核心組件——膜電極(MEA)的性能無法達到要求。具體主要有兩方面的原因：一是陽極催化劑的活性及穩(wěn)定性較低，二是陽極的甲醇通過質(zhì)子交換膜直接滲透到了陰極。本文正是在探索高活性陽極催化劑和高阻醇特性的質(zhì)子交換膜方面進行了深入研究。
　　石墨烯由于具有極高的電導(dǎo)率、極強的化學(xué)穩(wěn)定性和超高的比表面積等優(yōu)勢，被認為是最有希望的催化劑載體來提高其反應(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，嚴重影響催化

3、劑孔隙率以及整體性能的問題。本文通過建立直接甲醇燃料電池膜電極模型，重點分析了催化劑孔隙率對陽極傳質(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)境下的聚合對石墨烯載鉑催化劑進行修飾，發(fā)現(xiàn)兩種方法能夠明顯提高陽極催化劑的孔隙率，改善石墨烯片的吸附堆疊現(xiàn)象，測試結(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。而后對兩種石墨烯載體修飾方法

4、的制備工藝過程進行優(yōu)化，確定了催化劑達到最佳性能時的最優(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，提出并實現(xiàn)了以其作為載體的具有三維多孔結(jié)構(gòu)的陽極催化劑。實驗結(jié)果表明該催化劑具有極高的孔隙率和良好的穩(wěn)定性，尤其大大提高了對甲醇的催化氧化活性，其電化學(xué)活性面積與對甲醇的催化氧化電流密度分別達到了驚人的93.5 m2 g-1和876.5 mA mg-

5、1Pt，活性達到了普通石墨烯擔(dān)載鉑催化劑的約5倍，穩(wěn)定性也達到了石墨烯擔(dān)載鉑催化劑的3倍。
　　在催化劑活性提高的同時，帶來了孔隙率較大導(dǎo)致較嚴重的甲醇滲透問題。針對這一問題，本文系統(tǒng)地研究了浸漬還原法的條件參數(shù)對質(zhì)子交換膜性能的影響，并在此基礎(chǔ)上通過在質(zhì)子交換膜的浸漬過程中加入電場輔助，來加快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，進一步降低甲醇的滲透。測試結(jié)果表明采用該方法進行質(zhì)子交換膜的改性處理后