Ag/Pd双金属ORR电催化剂的制备及其在燃料电池和锌-空气电池中的应用探究

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化石燃料的持续消耗已经造成了资源枯竭、气候变化和环境污染等严重问题,引起了全球政府和组织的关注。发展可持续能源技术是解决上述问题的有效途径。电化学能量储存和转化装置,包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)和锌-空气电池(ZAB)等,由于具有能量密度高、能量转化效率高和污染排放低等优势而得到科研人员广泛的关注和研究。质子交换膜燃料电池和锌-空气电池在放电过程中都涉及氧气的还原反应(ORR),ORR是决定质子交换膜燃料电池和锌-空气电池的能量转化效率和成本的关键反应步骤。但是,ORR的反应动力学缓慢,需要使用高效的氧还原催化剂来提高其反应速度。因此,亟需开发兼顾催化活性高、使用寿命长和成本效益好的氧还原催化剂来推动这些电化学能量储存和转化装置的大规模商业化应用。目前广泛使用和研究的Pt基氧还原催化剂成本昂贵,是造成质子交换膜燃料电池和锌-空气电池的成本居高不下的原因之一。Pd金属具有和Pt金属类似的晶体结构和物理化学性质,并且Pd金属在储量和价格等方面更有优势,因此近年来Pd基氧还原催化剂得到广泛的关注和研究。Ag金属和Pd金属的晶格参数接近,且Ag金属的价格远低于Pd金属,通过Ag金属和Pd金属形成双金属氧还原催化剂,调控Pd基催化剂的电子结构,在提高Pd基催化剂ORR催化活性的同时降低其成本。研究和开发兼具催化活性高和稳定性好的Ag/Pd双金属氧还原催化剂,在改善质子交换膜燃料电池和锌-空气电池的输出功率和循环寿命等方面具有一定的意义。本论文中,作者从提高质子交换膜燃料电池和锌-空气电池的输出功率和循环寿命的角度出发,研究具有不同结构的Ag/Pd双金属电催化剂的制备方法及其ORR催化性能。本论文的研究内容包括以下的两个部分:(1)在本论文的第三章中,作者通过结合浸渍-还原法和置换反应,在Nafion膜的近表面原位生长一层Ag/Pd合金催化层。该Ag/Pd合金催化层在Nafion膜上的金属负载量较低,但能提高Nafion膜的吸水率,有利于提高Nafion膜的质子电导率。通过在Nafion膜的近表面构建一层Ag/Pd合金导电层,有利于促进电子在Nafion膜平面上的传输,能够在降低PEMFC阴极催化层和Nafion膜之间的界面接触电阻的同时促进氧还原反应,在提高质子交换膜燃料电池在干燥条件下的输出功率方面具有一定的意义。(2)在本论文的第四章中,作者以乙二醇为溶剂和还原剂,采用一锅法制备了 Ag@Pd/C核壳结构氧还原催化剂。利用XRD、TEM、EDS、ICP和XPS等分析方法确定了以Ag为内核、Pd为壳层的Ag@Pd核壳结构的形成。电化学性能测试结果表明,Ag@Pd/C催化剂在碱性溶液中的ORR催化活性是商业化Pd/C催化剂的1.7倍(0.9 V),在长时间的加速老化测试后也表现出了更好的催化稳定性。将Ag@Pd/C核壳结构氧还原催化剂应用于锌-空气电池时,由于Ag@Pd/C催化剂在碱性溶液中的ORR催化活性和稳定性均高于商业化的Pd/C催化剂,因此有效的提高了锌-空气电池的输出功率和长时间的放电稳定性。
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