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铂基掺铈载体薄膜电极制备及电化学性能研究

作　者: 刘艳伟
导　师: 杨滨
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 质子交换膜燃料电池催化剂离子束溅射电化学性能
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

质子交换膜燃料电池具有操作温度低、能量效率高、无电解质腐蚀等特点,在航天飞行、交通运输、洁静电站等方面都有广泛的应用前景,是电化学和能源科学领域的一个研究热点,许多发达国家都投入巨资研究与开发,我国也都对这一领域给予了高度重视。本文以炭纤维布为载体制备了质子交换膜燃料电池负载型催化剂,通过在贵金属铂中添加稀土元素铈的氧化物方式促使铂铈化合物的形成,改良了催化剂的氧化还原的性能。找出一种采用离子束溅射方法制备高性能质子交换膜燃料电池阴极材料的工艺是本论文研究的重点。本实验采用昆明理工大学与中科院沈阳科学仪器研制中心联合研制的高真空多功能离子束溅射与电子束蒸发连续镀膜装置进行电极薄膜的镀制工作,该设备具有专业性强,可控程度高等优点,是目前获得高性能薄膜的最有效的方法之一。论文系统地研究了电极薄膜的设计与制备工艺,采用离子束溅射方法分别从温度、氧流量、靶移动距离、屏压、和束流五个不同的工艺参数下镀制了炭纤维布基底的铂掺杂铈电极薄膜,本文通过对靶材的组合设计及其在溅射沉积成膜的过程中对稀土铈发生氧化反应的控制,得到不同的电极薄膜组份,并通过对薄膜的制备工艺进行了大量的研究,获得了催化性能良好的薄膜样品。本论文的电化学活性分析部分是在CH1660A型电化学工作站上完成,采用三电极工作体系分别对电极薄膜进行了循环伏安分析、线性扫描分析、计时电流分析。通过电化学活性分析测得各个电极薄膜的氧化还原性能的高低和稳定性能的好坏。并通过温度变化来观察对薄膜电极催化活性的影响,并测得在50℃时12#样品的表观交换电流密度达到225mA/cm2,并对性能好的样品进行不同速度的线性扫描分析,结果得出电极反应均具有不可逆性。对12号样品进行实效实验,电极连续运转500小时后,电极仍然保持高活性和高稳定性。另外,又分别从温度、氧流量、靶移动距离、屏压、和束流五个不同的工艺参数来分析对薄膜电极催化活性的影响,结果表明电极薄膜的催化活性主要与温度、铈掺杂量和铈氧化程度有关,从化学性能测试结果来看,其它条件相同情况下温度低的样品催化性能好,适量的掺杂铈和铈的氧化物可以提高电极薄膜的催化性能,铈和铈氧化物的掺杂量和设备的工艺参数密切相关,各个工艺参数之间又有着相互影响的作用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 燃料电池的概述  9-13
  1.2 质子交换膜燃料电池(PEMFC)  13-15
  1.3 PEMFC阴极催化剂  15-17
  1.4 PEMFC阴极催化剂的制备  17-22
  1.5 本论文研究的主要内容  22-23
第二章离子束溅射镀膜技术的原理及研究  23-31
  2.1 离子束溅射原理  23-24
  2.2 离子束溅射镀膜特点  24
  2.3 Kaufman离子源特性研究  24-28
  2.4 离子束溅射过程  28-29
  2.5 实验设备系统构成  29-31
第三章实验材料及电催化剂的制备  31-41
  3.1 试验材料  31
  3.2 实验仪器  31
  3.3 电极材料的设计  31-37
  3.4 薄膜的制备过程  37-41
第四章电极薄膜的活性评价  41-67
  4.1 电催化反应的特点  41
  4.2 电化学性能测试装置  41-42
  4.3 电化学评价方法  42-43
  4.4 铂铈电极的电化学评价分析  43-67
第五章结论  67-69
致谢  69-71
参考文献  71-76
附录A 攻读硕士学位期间发表的文章  76

铂基掺铈载体薄膜电极制备及电化学性能研究

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