直接甲醇燃料电池阳极催化剂的性能研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）具有结构简便,燃料易于获取与添加,操作简单等优点,在小型可移动电源和微型电源方面具有广阔的应用前景。阳极催化剂的性能是制约直接甲醇燃料电池商业化的瓶颈之一。目前,最高效的甲醇阳极电催化剂还是铂基催化剂,通过添加其它组分来降低铂金属被甲醇氧化中间产物毒化是制备高性能催化剂最重要的途径。本论文发明了一种新型的甲醇电催化助催剂?含氧空穴的氧化物,并考察了其对铂金属电催化甲醇的助催性能。采用溶胶-凝胶法,利用低价态离子对高价态离子的取代在氧化物晶格中产生氧空穴。本文制备了铁掺杂的氧化锆和锶掺杂的氧化铈,测试表明掺杂后氧化物的晶体结构发生改变,说明取代离子能够掺杂进氧化物晶格。采用乙二醇还原法制备了掺杂氧化物助催的铂基催化剂。在水溶液体系中,利用循环伏安、计电电流、计时电位和交流阻抗等电化学测试方法考察了催化剂的甲醇电催化性能。结果表明,两种氧化物的引入都使甲醇的起始氧化电位以及正负扫氧化峰值电位发生负移。对于添加氧化锆的催化剂来说,氧化锆的引入对铂颗粒的分散效果不明显,但是在氧化锆中掺杂铁离子可以明显提高催化剂的性能。另外,氧化锆中铁的掺杂浓度以及氧化锆与铂的比例对催化剂性能都有影响,掺杂浓度及氧化锆与铂的比例均存在一个最佳值,从而得到催化剂的最优成份比例。相较而言,氧化铈对铂颗粒的分散效果明显,但是铂颗粒的分散与催化剂的性能关系不大。在氧化铈中掺杂锶离子同样可以提高催化剂的性能,并且锶的掺杂浓度以及氧化铈与铂金属的比例同样存在一个最优值。此外,比较得知氧化铈的助催作用比氧化锆更强。利用单电池实验考察了以上两种最优催化剂与商业铂碳催化剂作为直接甲醇燃料电池阳极催化剂的性能优劣。结果表明,在实际电池环境中氧化锆的助催作用并不明显,相反氧化铈的助催作用同样明显,并对相关结果进行了分析。此外,本论文还对掺杂型氧化物的助催化机理进行了探索和讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 电化学科学的建立及燃料电池的发明
• 1.1.2 燃料电池的特点
• 1.2 DMFC 的工作原理及研究现状
• 1.2.1 DMFC 的工作原理
• 1.2.2 DMFC 的研究历史与现状
• 1.3 DMFC 的主要技术问题
• 1.4 DMFC 抗中毒阳极催化剂的研究进展
• 1.4.1 合金催化剂
• 1.4.2 氧化物助催式催化剂
• 1.5 本论文的工作思路及主要内容
• 第二章 实验总述
• 2.1 催化剂的制备
• 2.1.1 活性碳粉的预处理
• 2.1.2 含氧空穴氧化物的制备
• 2.1.3 铂金属的还原
• 2.2 催化剂的物理化学表征
• 2.2.1 X-射线衍射实验
• 2.2.2 透射电子显微镜实验
• 2.3 催化剂的电化学测试
• 2.3.1 循环伏安法
• 2.3.2 交流阻抗法
• 2.4 单电池实验
• 2.4.1 膜电极制备
• 2.4.2 单电池测试
• 2助催的Pt/C 作为DMFC 阳极催化剂的性能研究'>第三章 铁掺杂ZrO₂助催的Pt/C 作为DMFC 阳极催化剂的性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 催化剂的物理化学表征
• 3.2.1 X 射线衍射表征
• 3.2.2 TEM 表征
• 3.3 溶液体系中催化剂的甲醇电催化性能研究
• 2 中铁掺杂量对Pt/C 电催化甲醇性能的影响'>3.3.1 ZrO₂ 中铁掺杂量对Pt/C 电催化甲醇性能的影响
• 3.3.1.1 催化剂的电化学测试
• 3.3.1.2 氧化锆的助催机理讨论
• 3.3.2 催化剂中氧化锆含量的优化
• 3.4 催化剂性能的单电池测试
• 3.5 本章小结
• 2助催的Pt/C 作为DMFC 阳极催化剂的性能研究'>第四章 锶掺杂CeO₂助催的Pt/C 作为DMFC 阳极催化剂的性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 催化剂的物理化学表征
• 4.2.1 X 射线衍射表征
• 4.2.2 TEM 表征
• 4.3 溶液体系中催化剂的甲醇电催化性能研究
• 2 中锶掺杂量对Pt/C 电催化甲醇性能的影响'>4.3.1 CeO₂ 中锶掺杂量对Pt/C 电催化甲醇性能的影响
• 4.3.1.1 催化剂的电化学测试
• 4.3.1.2 氧化铈的助催机理讨论
• 4.3.2 催化剂中氧化铈含量的优化
• 4.4 催化剂性能的单电池测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 下一步工作设想
• 参考文献
• 在学期间研究成果
• 致谢