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直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel cell:DMFC)由于具有系统结构简单;运行温度低,启动快;比能量密度高;来源丰富、价格低廉、易储存和运输等优点而受到人们的广泛关注,被认为是理想的可移动的小型化电源。目前直接甲醇燃料电池的阳极催化剂仍以贵金属Pt为主,因Pt资源匮乏,价格昂贵,难以推广;同时甲醇在催化剂表面氧化的过程中会形成易于吸附的中间产物CO,致使催化剂中毒使活性降低。因此如何提高阳极Pt基催化剂的催化活性和利用率是目前亟待解决的问题。为此,本文从形貌控制合成和掺杂助催化的CeO2两个方面来提高Pt催化剂的催化活性和稳定性,以期实现Pt基催化剂在直接甲醇燃料电池中的高利用率,从而为加速直接甲醇燃料电池的商业化进程起到理论指导作用及奠定技术基础。
本文选用有机小分子丙烯酸钠、草酰胺作为稳定剂,采用胶体法合成不同形貌的铂纳米晶。研究了前驱体的水解老化程度、前驱体与稳定剂配比、溶液pH、前驱体浓度、氢气还原时间、反应温度等条件对铂纳米晶形貌及电催化活性的影响。结果表明,草酰胺作为稳定剂制备的铂纳米晶催化活性高于丙烯酸钠,最佳制备工艺如下:前驱体与草酰胺的配比为1:20,pH5.0,氢气还原时间为5min,前驱体浓度为2×10-4mol/L,温度为25℃。
探讨了Pt纳米晶在空气中和高电位下的稳定性。结果发现,纳米晶在空气中放置3个月后,形貌变化不大,但对甲醇的催化活性显著降低;在0.05V~1.2V的高电位下循环扫描100次,循环伏安(CV)曲线发生明显变化;推测应是晶体表面原子排列方式发生变化,易毒化(100)面逐渐转化成(110)面,使甲醇的催化活性增加。
采用水热法合成纳米CeO2,考察了反应温度、时间以及尿素与六水硝酸铈的配比对纳米CeO2助催化效果的影响。结果表明,当反应时间和配比一定时,反应温度越高,得到的纳米CeO2的粒径越小;反应温度150℃,反应时间12h,沉淀剂与硝酸铈的配比为4:1时,合成的CeO2的助催化效果最好。
选用助催化效果最好的CeO2,采用胶体还原法制备Pt-CeO2复合催化剂,研究了其对甲醇的催化活性,并考察了氧化铈加入量、pH对其催化活性的影响。结果显示,当Pt与CeO2的摩尔配比为1:3,pH5.0时,Pt-CeO2复合催化剂的催化活性最高。稳定性研究表明,Pt-CeO2复合催化剂比纯Pt催化剂具有更好的稳定性,电流衰减缓慢。