磁控溅射法制备直接醇类燃料电池阳极催化剂及其电化学性能研究

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直接醇类燃料电池是一种应用前景可观的燃料电池,具有许多优点,如燃料来源广泛、理论比能高、环境友好等,因而在能源与环境保护日益成为人类可持续发展所面临的两大难题时,引起人们广泛的研究兴趣,所取得的研究成果为其商业化应用打下了坚实的基础,但发展出完全满足人类需求的直接醇类燃料电池还有许多问题没有得到彻底解决,如核心组件膜与电极的问题,对于膜来说,其高效的质子传导或阴离子传导性能、尽可能低的阻抗、高的燃料阻透性、合理的工作温度等,都是制备高性能膜所需要解决的难题,而对于电极来说,寻找与发展高效且抗中毒性能优良的催化剂是工作重点。目前,高性能的电极催化剂主要是Pt或Pt基二元或多元催化剂,非Pt催化剂虽然在某些方面表现出了较好的性能,但综合性能优良的催化剂仍需要Pt的参与。制备催化剂的方法多种多样,有物理方法,也有化学方法,磁控溅射法是物理法当中应用较成熟的一种方法,利用其能制备出高性能电极催化剂,本文即用磁控溅射方法制备各种类型的催化剂,然后就它们的物理与电化学性能开展研究。   采用磁控溅射法,首先制备Pt/C和Pt催化剂,目的在于比较同一制备工艺参数下所获得的相同Pt载量的Pt/C与纯Pt催化剂的催化活性,结果发现Pt/C的催化活性要优于纯Pt催化剂,说明C的引入能够促进催化性能的改善,其可能原因是C的引入使得Pt的粒径降低,从而有更多的活性位。用XPS表征了Pt/C与纯Pt中Pt的化学价态以及元素的组成比例,用XRD表征表征了Pt以及C的存在形态,即晶态还是非晶态,结果表明了Pt以面心立方晶态存在,而C以非晶态存在。电化学活性的循环伏安表征表明,三对不同载量的Pt/C与纯Pt催化剂,前者的催化活性均优于后者。   采用磁控溅射法制备了PtSnO2催化剂,用XRD表征了催化剂的晶相,结果表明了Pt以晶态的形式存在,而SnO2以非晶的形态存在,因为SnO2为非晶靶材料,而在溅射过程中基片的温度并不高,所以SnO2应该以非晶态存在。Pt以面心立方晶形存在。XPS表征表明了Pt主要以零价存在,而Sn主要以+4价存在。就催化剂的电化学活性以及对燃料的催化氧化性能,我们研究了酸性环境中其电化学活性以及对甲醇的催化氧化,也研究了碱性环境中其电化学活性以及对乙醇的催化氧化,实验的重点是研究几个制备参数下得到的催化剂的催化性能,以得到合适的催化剂制备工艺参数,结果表明,对于PtSnO2用于酸性环境中对甲醇的催化氧化,其较合适的参数是f放电功率为75W,反应压强为5.0 Pa),对于PtSnO2用于碱性环境中对乙醇的催化氧化,其较合适的参数是(放电功率为120 W,反应压强为5.0 Pa)。在酸性环境中还比较了(反应压强为5.0 Pa,放电功率为120 W)参数下制备的不同Pt载量的PtSnO2催化剂的催化性能。   最后用共溅射法制备了PtWO3催化剂并对其进行了电化学性能的循环伏安表征。结果表明该催化剂在酸性环境中有良好的催化活性及对甲醇的催化氧化性能,同时其抗中毒性能、稳定性能均佳。
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