【摘 要】
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碱性膜燃料电池（AEMFC）又称阴离子交换膜燃料电池,近年来相关研究取得了重大进展。由于其电解质环境较为温和,一方面可以使用基于非贵金属的阴极催化剂,另一方面电堆中的双极板可以由不锈钢代替,从而有望大幅降低电堆成本。然而在碱性条件下,即使使用Pt基催化剂,电池阳极氢气氧化反应（HOR）的动力学也比酸性中低至少2个数量级,严重阻碍了碱性膜燃料电池的广泛应用。因此,寻求活性更高,更加经济的阳极催化剂对
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碱性膜燃料电池（AEMFC）又称阴离子交换膜燃料电池,近年来相关研究取得了重大进展。由于其电解质环境较为温和,一方面可以使用基于非贵金属的阴极催化剂,另一方面电堆中的双极板可以由不锈钢代替,从而有望大幅降低电堆成本。然而在碱性条件下,即使使用Pt基催化剂,电池阳极氢气氧化反应（HOR）的动力学也比酸性中低至少2个数量级,严重阻碍了碱性膜燃料电池的广泛应用。因此,寻求活性更高,更加经济的阳极催化剂对于碱性膜燃料电池的商业化发展至关重要。本论文围绕碱性燃料电池阳极氢气氧化反应,以降低催化剂成本、提升活性为目标,制备了新型钌基纳米颗粒催化剂。具体内容如下:（1）采用不同合成路线制备Ru/C纳米颗粒电催化剂,通过氢气氧化反应催化活性测试,筛选出最佳的合成路线。通过氢气高温还原法制备出高活性、低成本的Ru/C纳米颗粒电催化剂,采用该法制备的Ru/C催化剂交换电流密度达到0.85 m A cm Ru-2。在此基础上,进一步通过空气煅烧对Ru/C纳米电催化剂进行表面改性,使其表面发生轻微氧化。研究表明氢气氧化反应催化活性受表观氢结合能(HBEapp)控制,而HBEapp受金属的氢结合能（HBE）和水的结合能共同影响。由于Ru与Pt相比HBEapp偏强,从而阻碍了Had的脱附。表面氧化物的存在可以通过增强水的吸附来调节Ru的HBEapp,使其HBEapp达到一个适中值,从而促进HOR动力学。此法制备的Ru/C-Air-200°C催化剂比交换电流密度达到1.7 m A cm Ru-2,质量活性与比活性分别比未煅烧前提升了6倍和11倍,高于同载量下的Pt Ru/C、Pt/C、商业Ru/C。以Ru/C-Air-200°C作为阳极的AEMFC峰值功率密度可达到1.75 W cm-2,0.65 V电压下的电流密度达到1.4 A cm-2,分别比商业Ru/C提升了42%、28%,有望降低AEMFCs的阳极成本。（2）在单金属催化剂Ru/C-Air的基础上,进一步合成Ru基双金属HOR催化剂,并探究Ru与不同过渡金属之间的相互作用。通过电化学旋转圆盘电极（RDE）测试,筛选出Ru Cr双金属催化剂具有最高的HOR活性。进一步通过控制金属Cr的掺杂量调节Ru的HBE,保证其HBEapp处于最佳值。最终,我们得出Ru9Cr1/C-Air催化剂具有最佳的HOR活性,其比交换电流密度达到2.1 m A cm Ru-2,与单金属Ru/C-Air相比提升了24%,质量活性与比活性分别是目前在碱性介质中最好的商业Pt Ru/C的8倍和4倍。此外,本文还对其进行了AEMFC测试,Ru9Cr1/C-Air作为阳极催化剂的单电池峰值功率密度达到2.4 W cm-2,分别为Ru/C-Air和商业Ru/C的1.4倍和2倍左右,0.65 V电压下的电流密度达到1.9 A cm-2,分别为Ru/C-Air和商业Ru/C的1.4倍和1.7倍,目前在碱性膜领域处于领先水平,具有较高的应用前景。
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