Pt-Co二元合金复合催化剂的电化学制备及其在直接甲醇燃料电池中的应用

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种可在室温下工作、低污染物质排放、高能源效率的电源,可以为各种可移动设备提供动力,具有广泛的应用前景。而阳极催化剂的低活性和高成本仍限制了DMFC商业化应用。鉴于此,本论文的主要研究内容是分别在碳纸（CP）和Nafion粘结的碳纳米管（CNTs）电极上定量滴加电解质溶液进行脉冲电沉积得到成本较低、催化活性较高的Pt-Co二元合金复合催化剂。借助循环伏安法（CV）、X射线衍射仪（XRD）、扫射电镜（SEM）等测试方法和表征手段,研究Pt-Co合金纳米粒子的粒径和分散性与其甲醇电氧化活性的关系；以自制的碳纳米管负载Pt-Co合金复合催化剂用作阳极催化剂制备膜电极,并组装单电池,评价该电池的放电性能。以碳纸为载体,采用上述提出的电沉积方式,成功制备了碳纸载Pt-Co合金复合催化剂。考察了脉冲峰值电流密度、电解质中金属盐的配比等制备条件对催化剂粒径和分散性等影响。CV测试的结果表明,在脉冲峰值电流密度ip为500 mA·cm-2、电解质中金属盐的配比（Pt:Co原子比）为1：1时,碳纸载Pt-Co合金复合催化剂的抗毒化性能和甲醇氧化性能较好。以Nafion粘结的CNTs电极（NBC电极）作为阴极（以碳纳米管为载体）,采用上述提出的电沉积方式,也成功制备了碳纳米管载Pt-Co合金复合催化剂。考察了Nafion粘结的CNTs电极的制备工艺、脉冲电沉积参数和电解质中金属盐的配比等制备条件对催化剂粒径等影响。CV测试的结果表明,采用CNTs载量为2.0 mg·cm-2,Nafion含量为Nafion/CNTs=30.0 wt.%的NBC电极,在导通时间ton=10 ms、关断时间toff=30 ms、峰值电流密度ip=50 mA·cm-2、电解质中金属盐的配比（Pt:Co原子比）为1：1的条件下脉冲电沉积得到的碳纳米管载Pt-Co合金复合催化剂的抗毒化性能和甲醇氧化性能较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池的概述
• 1.2 DMFC的工作原理
• 1.3 DMFC的阳极电催化剂
• 1.3.1 铂基阳极电催化剂
• 1.3.2 非铂基阳极电催化剂
• 1.4 电化学沉积法制备DMFC电极
• 1.4.1 电化学沉积法制备DMFC电极发展现状
• 1.4.2 脉冲电沉积的一般概念
• 1.5 膜电极组件（MEA）
• 1.5.1 膜电极（MEA）的结构与组成
• 1.5.2 MEA的制备技术
• 1.6 本论文的研究目的、意义和内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验药品与仪器设备
• 2.2 脉冲电沉积法制备碳纸载Pt-Co复合催化剂
• 2.3 脉冲电沉积法制备碳纳米管载Pt-Co复合催化剂
• 2.4 膜电极的制备
• 2.5 催化剂和膜电极（MEA）的物性表征
• 2.5.1 物相结构及元素组成
• 2.5.2 表面形貌
• 2.5.3 电阻率及接触角
• 2.6 催化剂和膜电极（MEA）的电化学表征
• 2.6.1 电化学活性面积
• 2.6.2 甲醇氧化电催化活性和稳定性
• 2.6.3 单电池性能
• 第三章 碳纸载Pt-Co合金复合催化剂的制备及其性能研究
• 3.1 载体碳纸的物性表征
• 3.2 碳纸载Pt-Co二元合金复合催化剂的制备及其性能研究
• 3.2.1 峰值电流密度的影响
• 3.2.2 原子比组成的影响
• 3.2.3 添加CNTs层的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 碳纳米管载Pt-Co合金复合催化剂的制备及其性能研究
• 4.1 载体CNTs的预处理
• 4.2 Nafion粘接的CNTs电极制备工艺的影响
• 4.2.1 CNTs载量的影响
• 4.2.2 Nafion含量的影响
• 4.2.3 小结
• 4.3 脉冲电沉积参数的影响
• 4.3.1 占空比的影响
• 4.3.2 峰值电流密度的影响
• 4.4 合金原子比组成的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 膜电极的制备及其性能表征
• 5.1 膜电极的制备
• 5.2 膜电极的性能表征
• 5.3 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
• 作者和导师简介
• 附录