氮功能化碳纳米管载Pt及碳载PtSnCo燃料电池催化剂研究-化学工程与技术专业论文.docxVIP

重庆大学硕士学位论文中文摘要 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I I 摘 要 聚合物燃料电池(包括氢氧质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接醇燃料电池 (DMFC))中，Pt 一直被认为是活性最高、不可或缺的催化剂。但由于铂的价格较为 昂贵，且资源匮乏，使得低温聚合物燃料电池成本居高不下，限制了其规模化应 用。因此，新型催化剂的开发主要集中在以下两个方面：一是非铂的催化剂，二 是改善已有的铂催化剂，提高铂的利用率，增强其催化活性，减少贵金属的用量 以达到降低催化剂成本的目的。 碳纳米管(CNTs)是一种新型的碳材料，具有独特的电子结构，高的比表面积， 电阻低，耐腐蚀，良好的机械性能等优点，是作为催化剂载体的理想选择对象， 催化剂和载体间的相互作用也影响着催化剂的性能。然而，由于 CNTs 本身的表 面憎水以及惰性而使贵金属难以有效的在其表面沉积分散。 在本论文的第一部分，我们通过一种简单、高效的方法对碳纳米管进行氮功 能化，成功的在其表面石墨结构中引入了少量的氮原子，使其具有一定的化学活 性位而减少了其表面含氧官能团。通过简单的 NaBH4 还原法制备了 Pt/NFCNTs 催 化剂，采用 XPS、XRD 以及电化学方法研究了其电化学性质。初步结果显示： (1) 与传统的 Pt/FCNTs 相比，Pt/NFCNTs 具有更加小的平均粒径(4nm 左右)， Pt 颗粒分散均匀且没有明显的团聚现象。 (2) 与传统的 Pt/FCNTs 以及商业化 Pt/C 相比，Pt/NFCNTs 具有更大的电化学 活性表面积以及 Pt 的利用率。Tafel 曲线显示，Pt/NFCNTs 的平衡电位明显正移， 有利于氧还原反应的进行。 (3) 单电池结果显示，在 Pt 担载量阳极为 0.3mg/cm2 阴极为 0.2mg/cm2 时， Pt/NFCNTs 的最大功率都接近于 1.1W/cm2，远高于 Pt/C 的 0.6 W/cm2 和传统 Pt/FCNTs 的 0.7 W/cm2。 阻碍 DMFC 发展的主要问题是甲醇氧化的电极材料活性不高以及甲醇渗透现 象。甲醇氧化最有效的催化剂是 Pt 或 Pt 基合金催化剂，但 Pt 价格昂贵且容易被 甲醇氧化产生的类 CO 中间体吸附而中毒。在本文的第二部分制备了 PtSnCo/C 三 元催化剂，采用 XRD、EDS 对催化剂进行了物理化学表征, 通过阳极线性伏安扫 描法、预吸附单层 CO 溶出法、连续循环伏安法研究了其电化学性质，探讨了 Co 的加入对 PtSnCo/C 三元催化剂的电化学性质的影响。初步结果表明：PtSnCo/C 三 元催化剂具有与商业化的 JM-PtRu/C 相近的甲醇氧化催化活性以及去除 CO 的能 力以和更好的电化学稳定性。说明 Co 的加入有效的提高了 PtSnCo/C 催化剂的活 性和电化学稳定性。 II II 关键词：PEMFC，氮功能化，催化剂，PtSnCo/C，DMFC 重庆大学硕士学位论文英文摘要 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 PAGE PAGE IV ABSTRACT Fuel cell converting chemical energy directly into electrical energy with high efficiency and low emission of pollutants may help to reduce environmental impact. Fuel cell is a practical answer to the worlds pressing need for clean and efficient power. For decades, Pt-based catalysts are widely used in catalysis of oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs). However, the drawbacks with use of platinum, limited supply, high cost and easily poisoned by trace of carbon monoxide limit its use. Thus, a great effort has been devoted to development of new fuel cell electro-catalysts in order to increase Pt activity and reduce pla