【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（PEMFCs）可将化学能以高效、环保、零排放的方式转化为电能,为应对能源危机和环境污染提供有效途径。然而,PEMFCs中关键材料Pt/C催化剂在应用时容易发生C载体腐蚀,降低PEMFCs的性能。特别是PEMFCs启停时电位将达到1.5 V以及高于电解水的反极电压,会加速C载体腐蚀。以碳复合氧化铈材料为载体,能充分发挥氧化铈良好的稳定性、优异的抗自由基能力以及与铂之间强的相互作用
【基金项目】
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科技部重点研发计划项目子课题2021YFB4001301-2； 北京市科委项目Z171100000917011； 有研科技集团院创新基金2019DY0107；
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质子交换膜燃料电池（PEMFCs）可将化学能以高效、环保、零排放的方式转化为电能,为应对能源危机和环境污染提供有效途径。然而,PEMFCs中关键材料Pt/C催化剂在应用时容易发生C载体腐蚀,降低PEMFCs的性能。特别是PEMFCs启停时电位将达到1.5 V以及高于电解水的反极电压,会加速C载体腐蚀。以碳复合氧化铈材料为载体,能充分发挥氧化铈良好的稳定性、优异的抗自由基能力以及与铂之间强的相互作用等优点,同时利用碳材料提供较大的比表面积和电子通道克服氧化铈作为载体时存在导电性差的缺点,有望获得高活性及耐高电位腐蚀Pt基催化剂。本论文以多巴胺（DOPA）为氮源,制备氮掺杂碳载体材料（NC）,并用X射线光电子能谱对掺氮含量及掺氮类型进行表征。在氮掺杂碳表面沉积氧化铈制备碳载氧化铈复合载体（CeO2/C）。最后用甲醇还原法在载体上均匀沉积铂纳米粒子得到纳米铂催化剂。通过X射线衍射、透射电镜表征催化剂的结构和微观形貌,利用电化学工作站对催化剂ORR催化活性和耐久性进行表征。具体研究内容如下:（1）以DOPA为氮源制备氮掺杂碳材料,通过调整多巴胺与碳基体XC-72的比例可控制氮含量在1.0～3.5 at.%变化;以碱沉淀法在氮掺杂碳载体沉积分散均匀的CeO2纳米颗粒,除少量团聚颗粒外,CeO2纳米颗粒晶粒尺寸约1～3 nm,600℃热处理后,CeO2纳米颗粒晶粒尺寸增大至2～4 nm。（2）以氮掺杂碳为载体,甲醇还原氯铂酸制备碳载铂催化剂（Pt/NC）,透射电镜显示分散的Pt纳米颗粒粒径在2～4nm,随着氮含量的提升,Pt在载体表面分散越均匀,但仍存在较大的团聚颗粒,XRD结果显示铂平均粒径约5.6 nm。调整甲醇浓度、柠檬酸钠含量以及添加乙二醇可进一步提高还原过程中Pt在碳载体上的分散均匀性。铂纳米颗粒的平均晶粒尺寸由5.6 nm下降至3.0 nm,说明铂的分散性得到大幅提升。（3）氮掺杂碳载铂催化剂的氧还原质量比活性优于商用铂碳,高电位耐蚀性能更优异。添加乙二醇时,Pt晶粒尺寸为3.3nm,ECSA达到64.9m2·g-1,比商用Pt/C高24.2 m2·g-1,im@0.9 V 为 248.6 mA·mg-1,比商用 Pt/C 高 44.8 mA·mg-1,提升约 22%。经过1.0～1.2 V（vs.RHE）扫描10000次后,氮掺杂碳载铂催化剂的im@0.9 V下降18%,而商用 Pt/C 的 im@0.9 V 下降 48%。（4）氮掺杂碳复合氧化铈载铂催化剂的氧还原质量比活性比氮掺杂碳载铂催化剂低,但高电位耐蚀性能进一步提高。Pt/CeO2/NC-600的ECSA为27.7m2·g-1,im@0.9 V为105.2 mA·mg-1,与商用Pt/C相比具有一定的差距。经过1.0～1.2 V（vs.RHE）扫描10000次后,ECSA减小24%,但im@0.9 V未降反升,增大至114.3 mA·mg-1,说明碳复合氧化铈载铂催化剂相比于商用Pt/C及氮掺杂碳载铂催化剂更好的耐高电位腐蚀性能。
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