直接甲醇燃料电池(简称DMFC)是一种通过电化学反应直接将甲醇和氧气中的化学能转化为电能的发电装置,具有结构简单、体积能量密度高、燃料补充方便、工作温度低、启动快、效率高等一系列优点,近年来受到人们的普遍关注。 目前DMFC的阳极催化剂一般是以导电炭材料负载金属铂钌作为催化剂,其主要活性成分铂钌价格昂贵,是阻碍DMFC商业化的主要原因之一。因此制备用量少、活性高的催化剂是降低燃料电池成本的有效途径。炭气凝胶(CAs)是一种由球状纳米粒子聚集而成的新型多孔炭材料,具有高孔隙率、高比表面积、高电导率等优点,将炭气凝胶作为DMFC电催化剂的载体,可以实现高分散地担载PtRu,提高PtRu的利用率,从而降低DMFC电催化剂的成本。由于大多数炭材料表面都是惰性的,所以使用之前要对炭气凝胶进行纯化和表面官能团化处理,以去除杂质,增加表面含氧基团,以利于PtRu金属的均匀沉积。 本文基于硼氢化钠溶液还原金属离子的方法,通过添加氧化剂或者气体活化炭气凝胶,以处理过的炭气凝胶作为载体,成功制备了多种PtRu基合金催化剂,运用x射线衍射(XRD)、傅立叶红外(FT-IR)、热重分析(TG)、透射电子显微镜(TEM)、循坏伏安法(CV)、i-t电流曲线等手段对催化剂进行了表征。主要研究内容及进展如下： 考察了溶胶凝胶法制备RF炭气凝胶,采用丙酮溶剂交换法常压干燥气凝胶,在惰性气体保护下高温炭化。 考察了采用浓硝酸氧化处理CAs不同时间对以其为载体制备的PtRu/CAs电催化剂性能的影响。PtRu/CAs-HNO3的甲醇电催化性能整体较好,氧化处理2 h的CAs制备的催化剂具有最高活性,其峰电流密度达7.5 mA/cm2,与未处理的CAs制备的催化剂相比提高了两倍多。另外稳定性也提高很多。 考察了采用过氧化氢溶液氧化处理CAs不同时间对以其为载体制备的PtRu/CAs电催化剂性能的影响。PtRu/CAs-H2O2的甲醇电催化性能整体较好,与PtRu/CAs-HNO3电催化剂类似,其对甲醇氧化的起始电位非常接近。过氧化氢溶液氧化处理3 d的-HNO3制备的催化剂具有最高活性,其峰电流密度达4.8mA/cm2。但氧化处理超过3 d后,所制备的电催化剂性能有所下降。 考察了采用饱和过硫酸铵溶液氧化处理CAs不同时间对以其为载体制备的PtRu/CAs电催化剂性能的影响。PtRu/CAs-(NH4)2S2O8的甲醇电催化性能与PtRu/CAs-HNO3、PtRu/CAs-H2O2相比有所下降,但对甲醇氧化的起始电位非常接近。氧化处理4 d、5 d的PtRu/CAs-(NH4)2S2O8催化剂甲醇氧化起始电位有所升高,在0.51 V出现峰电流,且其氧化峰电流下降严重。考察了采用CO2活化处理CAs不同时间对以其为载体制备的PtRu/CAs电催化剂性能的影响。PtRu/CAs-CO2甲醇电催化性能整体较好,其对甲醇电催化氧化的起始电位与和其它处理方法制备的催化剂非常接近。与未处理的CAs制备的PtRu/CAs电极相比,PtRu/CAs-CO2电极表现出更高的甲醇催化氧化峰电流,且随CO2活化处理时间延长而升高,但升高幅度不大。处理5 h的PtRu/CAs-CO2催化剂具有最高活性,其峰电流密度达3.7 mA/cm2。 考察了采用水蒸气活化处理CAs不同时间对以其为载体制备的PtRu/CAs电催化剂性能的影响。PtRu/CAs-H2O甲醇电催化性能整体较好,催化剂对甲醇电催化氧化的起始电位非常接近。活化处理5 d的PtRu/CAs-H2O催化剂具有最高活性,其峰电流密度达3.9 mA/cm2。 以上结果对直接甲醇燃料电池的研究有一定的指导意义。所提出的预处理炭气凝胶对制备铂钌催化剂具有一定的应用开发价值,为甲醇电氧化催化剂的改进和研制提供了新的方案。