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双壁碳纳米管的分散及其作为燃料电池催化剂载体的研究

作　者: 项少辉
导　师: 黎业生；吴子平
学　校: 江西理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 质子交换膜燃料电池催化剂载体双壁碳纳米管乙二醇还原法
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效、安全、洁净、启动温度低等优点,在实际应用上前景广阔。PEMFC中最重要的组件就是膜电极,而电极的催化剂又对膜电极的性能起着至关重要的作用。一般使用的铂系催化剂是以非晶碳黑为载体的,其比表面相对较小,石墨化程度不高,降低了铂的催化效率。为了提高对Pt的利用,本论文选择了双壁碳纳米管(DWCNTs)为载体,开展了双壁碳纳米管的无损伤分散和作为PEMFC的催化剂载体的应用研究。本论文的双壁碳纳米管是由本课题组通过浮动催化的化学气象沉淀法制得。在不引入其他表面活性剂和官能团的情况下,本论文利用各种不同的材料分析方法比较了双壁碳纳米管在水、甲醇、乙醇、乙二醇各种不同分散剂中的分散情况。实验发现,在上述分散剂中,乙二醇分散效果最好。双壁碳纳米管在乙二醇中经24小时超声后,再经历72小时的静置,也不会有沉淀产生。拉曼光谱和红外光谱分析都说明分散后的碳纳米管没有受到明显破坏。本论文还用乙二醇还原法制备了以双壁碳纳米管为载体的负载铂颗粒的催化剂,通过XRD分析与TEM分析,表明沉积于双壁碳纳米管上的铂颗粒分布均匀且细小,颗粒直径在3 -5nm之间。然后对不同反应温度下制备的Pt/DWCNTs催化剂进行了催化性能测试比较,找出了最佳反应温度为140°C,并做出了分析。实验还表明,乙二醇均匀分散后的双壁碳纳米管作为载体的效果远远好于未经分散的双壁碳纳米管。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-25
  1.1 燃料电池简介  8-15
    1.1.1 燃料电池概述  8-9
    1.1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理  9-10
    1.1.3 质子交换膜燃料电池的结构  10
    1.1.4 质子交换膜燃料电池电催化剂及其载体  10-12
    1.1.5 质子交换膜燃料电池催化剂的稳定性  12-15
  1.2 碳纳米管简介及应用  15-23
    1.2.1 碳纳米管的发现与分类  15-16
    1.2.2 碳纳米管的制备  16-20
    1.2.3 碳纳米管的主要性能  20-22
    1.2.4 碳纳米管的应用  22-23
  1.3 本文选题意义以及研究内容  23-25
第二章实验部分  25-31
  2.1 实验试剂与材料  25
  2.2 实验仪器  25-26
    2.2.1 材料结构表征使用的主要仪器  25-26
    2.2.2 材料制备过程中使用的主要仪器  26
  2.3 材料表征方法  26-29
    2.3.1 拉曼光谱（Raman）分析  26-27
    2.3.2 傅立叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析  27
    2.3.3 X 射线衍射（XRD）分析  27-28
    2.3.4 电镜及能谱分析  28-29
    2.3.5 热分析  29
  2.4 电化学性能测试方法  29-31
    2.4.1 电化学测试体系  29-30
    2.4.2 循环伏安法(Cyclic Voltammetry，CV)  30-31
第三章燃料电池催化剂载体——双壁碳纳米管的纯化及分散性研究  31-40
  3.1 前言  31-32
  3.2 双壁碳纳米管的纯化  32-33
  3.3 纯化后双壁碳纳米管的结构表征  33-35
    3.3.1 透射电镜与热重差热分析  33-34
    3.3.2 拉曼光谱分析  34-35
  3.4 双壁碳纳米管在不同分散剂中分散性能的比较  35-37
  3.5 乙二醇作为分散剂时碳纳米管分散前后的结构对比与分析  37-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章 Pt/DWCNTs 催化剂的制备与电催化性能的研究  40-51
  4.1 不同温度下Pt/DWCNTs 催化剂的制备  40
  4.2 Pt/DWCNTs 催化剂的结构形态  40-43
    4.2.1 X 射线衍射（XRD）衍射分析  40-41
    4.2.2 TEM 及能谱分析  41-43
  4.3 电化学性能测试  43-50
    4.3.1 工作电极的制备  43
    4.3.2 裸玻碳电极测试  43-44
    4.3.3 Pt/DWCNTs 的催化活性及分析  44-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章全文总结  51-53
  5.1 主要结论  51
  5.2 主要创新点  51-52
  5.3 研究展望  52-53
参考文献  53-56
致谢  56

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