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质子交换膜燃料电池用Pt基催化剂的制备与性能研究

作　者: 张海艳
导　师: 马建新；林瑞
学　校: 华东理工大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 质子交换膜燃料电池铂催化剂核壳结构氧气还原反应抗毒性
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,为了应对日益严峻的能源危机和环境污染,世界各国高度重视新能源的开发,以氢为燃料的燃料电池汽车得到迅速发展。然而燃料电池汽车的商业化发展目前还受到成本高、耐久性有待提高和基础设施不足等条件的制约。对于质子交换摸燃料电池(PEMFC)来说,其中主要的研究课题均是围绕着被誉为万能催化剂Pt的成本和耐久性而开展的,因而开发出高性能、低载量、高稳定性的电催化剂,以减少对Pt的依赖,降低燃料电池的成本,已成为燃料电池研究领域内亟需解决的难题。本论文工作集中在Pt-CeO2/C、Pt-Ce0.8Zr0.2O2/C和Au@Pt/C催化剂的制备与表征,并取得如下进展：(1)采用TEM、XRD、CV、LSV、CO-Stripping等方法详细考察了不同CeO2含量的Pt-CeO2/C催化剂的形貌特征、分散性、HOR活性、CO氧化活性,并进行了单电池测试。结果表明,Pt-20%CeO2/C性能最优。CO在Pt-20%CeO2/C上的氧化起始于约653 mV,在772 mV达到峰值。加入CeO2后CO氧化峰值与商业Pt/C催化剂相比负移60 mV,说明自制的Pt-20%CeO2/C催化剂抗CO性能明显优于商业Pt/C催化剂,且Pt-CeO2/C催化剂对CO的氧化遵循双功能机理。(2)采用TEM、XRD、CV、LSV、CO-Stripping等方法详细考察了不同Ce0.8Zr0.2O2含量的Pt-Ce0.8Zr0.2O2/C催化剂的形貌特征、分散性、HOR活性、CO氧化活性,并进行了单电池测试。结果表明,Pt-20%Ce0.8Zr0.2O2/C性能最优。CO在Pt-20%Ce0.8Zr0.2O2/C上的氧化起始于约686 mV,在801 mV达到峰值。加入Ce0.8Zr0.2O2后CO氧化峰值与商业Pt/C催化剂相比负移30 mV,说明自制的Pt-20%Ce0.8Zr0.2O2/C催化剂抗CO性能优于商业Pt/C催化剂但差于Pt-20%CeO2/C催化剂。(3)采用胶体法制备核壳结构Au@Pt/C催化剂。当用抗坏血酸作为还原剂,PVA作为保护剂时,Au@Pt/C催化剂的ORR活性是最好的。经过元素比例优化可得,当Au与Pt原子比为2：4时,通过UV-Vis, XPS和TEM表征后发现Pt完全包覆Au即形成了完整的核壳结构Au@Pt/C催化剂。ORR测试结果表明对于Au@Pt(2:4)/C催化剂,起始还原电位为0.925 V,半峰电位为0.643 V,极限电流密度为4.1 mA/cm2,与商业Pt/C催化剂相当。经过RDE测试发现Au@Pt(2:4)/C催化剂对氧还原催化是通过4e-机理直接生成水。经过单电池测试结果表明,当Au@Pt(2:4)/C催化剂作为燃料电池阴极催化剂时,开路电压为1.0 V,最高功率密度为479 mW/cm2。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-29
  1.1 燃料电池  11-12
  1.2 质子交换膜燃料电池(PEMFC)  12-14
  1.3 氧气还原反应(ORR)及其电极动力学  14-17
  1.4 氢气氧化反应(HOR)  17
  1.5 Ce基氧化物作为燃料电池催化剂及其研究进展  17-21
    1.5.1 Ce基氧化物作为助剂用于燃料电池阳极  18-19
    1.5.2 Ce基氧化物作为助剂用于燃料电池阴极  19-21
  1.6 Pt基核壳结构催化剂及其研究进展  21-27
    1.6.1 胶体法-种子成长法  21-22
    1.6.2 电化学法  22-23
    1.6.3 化学还原法  23-24
    1.6.4 其他制备方法  24
    1.6.5 核壳电催化剂的表征  24-27
  1.7 研究目的和内容  27-29
第2章实验部分  29-35
  2.1 实验试剂与仪器  29-30
  2.2 催化剂的制备  30-31
    2.2.1 载体的预处理  30
    2.2.2 制备Pt-CeO_2/C和Pt-Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C催化剂  30
    2.2.3 制备Au@Pt/C催化剂  30
    2.2.4 旋转圆盘电极的制备  30-31
    2.2.5 气体扩散层与膜电极的制备  31
  2.3 催化剂的表征  31-32
    2.3.1 X射线衍射(XRD)  31-32
    2.3.2 透射电子显微镜(TEM)  32
    2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)  32
    2.3.4 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)  32
    2.3.5 紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis)  32
  2.4 催化剂的电催化性能测试  32-35
    2.4.1 半电池评价  32-33
      2.4.1.1 循环伏安曲线(CV)  32-33
      2.4.1.2 线性循环伏安曲线(LSV)  33
    2.4.2 PEMFC单电池性能测试  33-35
      2.4.2.1 单电池极化曲线(I-V)  33-34
      2.4.2.2 电化学交流阻抗谱(EIS)  34-35
第3章 Pt-CeO_2/C催化剂的制备与表征  35-46
  3.1 Pt-CeO_2/C催化剂的制备  35
  3.2 Pt-CeO_2/C催化剂的表征  35-37
  3.3 Pt-CeO_2/C催化剂的电催化性能  37-40
    3.3.1 对H_2的氧化活性  37-39
    3.3.2 对CO的氧化活性  39-40
  3.4 Pt-CeO_2/C催化剂的单电池测试  40-45
    3.4.1 单电池极化曲线测试  40-42
    3.4.2 抗CO性测试  42-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章 Pt-Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C催化剂的制备与表征  46-55
  4.1 Pt-Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C催化剂的制备  46
    4.1.1 Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C固溶体的制备  46
    4.1.2 Pt-Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C催化剂的制备  46
  4.2 Pt-Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C催化剂的表征  46-49
    4.2.1 XRD表征  46-47
    4.2.2 TEM表征  47-49
  4.3 Pt-Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2/C催化剂的电催化性能  49-54
    4.3.1 对H_2的氧化活性  49-51
    4.3.2 对CO的氧化活性  51-52
    4.3.3 催化剂的单电池测试  52-54
      4.3.3.1 单电池极化曲线测试  52-53
      4.3.3.2 EIS测试  53-54
  4.4 本章小节  54-55
第5章 Au@Pt/C核壳结构催化剂的制备与表征  55-63
  5.1 还原剂对Au@Pt/C催化剂性能影响  55-56
    5.1.1 TEM表征  55
    5.1.2 ORR活性评价  55-56
  5.2 Au/Pt比例对催化剂性能的影响  56-62
    5.2.1 UV-Vis表征  56-57
    5.2.2 XPS表征  57
    5.2.3 TEM表征  57-58
    5.2.4 催化剂的电催化活性  58-61
      5.2.4.1 ORR活性评价  58-60
      5.2.4.2 RDE表征  60-61
    5.2.5 单电池极化曲线测试  61-62
  5.3 小结  62-63
第6章结论与展望  63-65
  6.1 结论  63
  6.2 后续研究工作的设想  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-72
附录  72-73

质子交换膜燃料电池用Pt基催化剂的制备与性能研究

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