论文部分内容阅读
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有低温操作、高能量密度、快速启动等优点，并且有希望应用于电动车和移动电源因此受到了人们广泛关注，但是商业化应用需要进一步提升电池性能、延长使用寿命、降低成本。本文介绍了燃料电池的研究现状以及催化剂性能衰减的原因和提升催化剂稳定性的方法。主要研究了简单快捷制备高催化活性、高稳定性的阳极石墨烯基催化剂的方法。首先以乙二醇和异丙醇为混合溶剂，采用一步溶剂热法制备了Pt/graphene-TiO2催化剂。其中Pt和TiO2均匀的分散在石墨烯表面，形成独特的“三相界面”结构，Pt/graphene-TiO2催化剂电氧化甲醇的质量比活性为423.3A·g-1，比Pt/graphene催化剂(溶剂热法制备)的289.5A·g-1高46%，经过1000次循环加速老化测试(APCT)后，稳定性提高了近15%。由于Pt与TiO2之间强烈的相互作用(SMSI)以及Pt-graphene-TiO2之间独特的“三相界面”结构，有利于发挥Pt-graphene-TiO2之间的协同效应。系统研究了TiO2含量、溶剂热温度以及溶剂热时间对催化剂性能的影响。研究发现：当TiO2的含量占载体总含量的40mass%时，催化剂的电化学活性最好，且稳定性比Pt/graphene提高了14.4%；当溶剂热温度为140oC时，催化剂的活性和稳定性最好；溶剂热时间为4h时，催化剂的电化学活性最高，同时稳定性也比2h提升了1倍以上。以石墨烯为基材，构筑了不同结构的Pt基催化剂，首先以石墨烯原位复合Pt/graphene制备三明治结构的graphene-Pt-graphene(G-P-G)复合催化剂，由于G-P-G催化剂的独特三明治结构导致G-P-G催化剂对甲醇电氧化的质量活性为462.8A·g-1，比Pt/graphene(微波法制备)的363.1A·g-1高27%，同时在APCT过程中稳定性也提高了近20%。同时研究了不同石墨烯复合量对G-P-G催化剂性能的影响，研究发现随着石墨烯复合量的增加催化剂的ESA逐渐减小，但是对甲醇氧化的比活性以及电化学稳定性逐渐增大，因此综合考虑活性和稳定性，当石墨烯复合量为50%时性能最佳。采用石墨烯复合Pt/C，制备Pt/C/graphene复合催化剂。研究发现当Pt/C复合一层石墨烯后，在老化过程中原本“洁净”的石墨烯表面出现了Pt NPs，导致催化剂的稳定性相比Pt/C提高了12%。为了进一步提高催化剂稳定性，以氮掺杂石墨烯复合Pt/C和Pt/graphene，发现相比于石墨烯，氮掺杂石墨烯复合的Pt/C和Pt/graphene催化剂的稳定性有了进一步提高，但同时催化剂的ESA下降较明显。最后以Pt/C催化剂、尿素和氧化石墨为原料一步水热法制备了N-Pt/C/graphene催化剂。研究发现Pt纳米粒子不仅负载在碳上，还有一部分均匀分布在氮掺杂石墨烯上。在APCT过程中Pt的粒径增大幅度明显小于Pt/C催化剂，相比于Pt/C稳定性提高了14%。