质子交换膜燃料电池催化剂的制备及表征

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其高能量密度、高能量转化率、低污染、环境友好的突出优点具有广阔的应用前景,但目前使用的铂催化剂由于其价格昂贵、资源匮乏以及使用寿命有限等因素限制了PEMFC的发展。本论文分别合成了Pd-Pt/C合金催化剂、TiO2纳米粒子掺杂的Pt/C催化剂和纳米核壳型Cu@Pt/C催化剂,旨在提高催化剂中Pt的利用率,降低催化剂成本。（1）用化学还原法合成的Pd-Pt/C合金催化剂的晶形完整,其中Pd-Pt合金粒子的粒径比Pt/C催化剂中Pt粒子的粒径稍大。通过循环伏安扫描和旋转圆盘电极测试表明,Pd-Pt/C催化剂的电催化活性与Pt/C催化剂相当,但Pt的利用率明显提高。（2）使用水热法制备的TiO2纳米粒子晶形完整,平均粒径约7.99nm。通过循环伏安扫描和旋转圆盘电极测试表明,掺杂TiO2纳米粒子的Pt/C催化剂在TiO2含量为10%时的电化学稳定性最好,电催化剂活性也很高。（3）使用两步还原法制备了Cu@Pt/C催化剂,通过XRD和TEM分析表明其是核壳结构,其中金属颗粒尺寸约为5-6nm,壳层厚度为1-2 nm。通过循环伏安和阴极极化曲线测试表明：核壳型催化剂Cu@Pt/C的电催化活性比相同铂载量的Pt/C催化剂有明显的增强,当金属载量为20%时,铜铂的摩尔比为2.73：1时的核壳型Cu@Pt/C催化剂中Pt的电化学活性最高。当催化剂中金属载量提高到40%时,能够形成核壳结构的催化剂中最佳的铜铂投料比（摩尔比）为1.5：1。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 前言
• 1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的结构和工作原理
• 1.1.1 PEMFC的结构
• 1.1.2 PEMFC的工作原理
• 1.2 催化层的结构及研究进展
• 1.2.1 燃料电池催化剂
• 1.2.2 阳极催化剂
• 1.2.2.1 铂系催化剂
• 1.2.2.2 非铂系催化剂
• 1.2.3 阴极催化剂
• 1.2.3.1 阴极催化剂的催化机理
• 1.2.3.2 铂系催化剂
• 1.2.3.3 非铂系催化剂
• 1.2.4 催化剂的制备方法
• 1.2.4.1 浸渍还原法
• 1.2.4.2 模板法
• 1.2.4.3 保护剂法
• 1.2.4.4 固相还原法
• 1.2.4.5 微波法
• 1.2.4.6 微乳液法
• 1.2.4.7 有机溶胶法
• 1.2.4.8 电化学法
• 1.2.5 核-壳型纳米催化剂的研究
• 1.3 本论文的选题意义和研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 分析表征方法
• 2.3.1 催化剂的表征
• 2.3.1.1 X射线粉末衍射（XRD）
• 2.3.1.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.1.3 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）
• 2.3.2 电化学性质的表征
• 2.3.2.1 循环伏安实验（CV）
• 2.3.2.2 线性伏安扫描（LSV）
• 第三章 碳载体的选择及合金催化剂的制备
• 3.1 碳载体的选择
• 3.2 Pd-Pt合金催化剂的制备
• 3.2.1 催化剂的制备
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 2粒子的掺杂'>第四章 纳米TiO₂粒子的掺杂
• 4.1 引言
• 4.2 催化剂的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 核壳型Cu@Pt/C催化剂的制备
• 5.1 引言
• 5.2 催化剂的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书