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随着石油价格的持续飙升和化石能源的日益枯竭,发展燃料电池技术的重要性和迫切性已得到全球的广泛共识。燃料电池可以将化学能高效和环境友好地直接转换成电能,是解决未来能源问题的重要技术手段之一。催化剂材料对于燃料电池具有特别重要的意义,对于低温燃料电池,催化剂材料的水平几乎决定了燃料电池技术的发展前景和商业化进程。
在大量研究工作的基础上,本论文提出了一种制备燃料电池催化剂的新方法——高压有机溶胶法。并考察了载体的预处理、反应温度和反应时间、反应起始pH值等制备条件对催化剂性能的影响,获得了制备高活性催化剂的最佳合成条件。还考察了添加剂和络合剂对催化剂性能的影响。
采用循环伏安法考察了催化剂对于甲醇电催化氧化的催化活性,采用HUPD(hydrogen Underpotential Desorption)技术测定了催化剂的活性比表面积,采用XRD技术考察了催化剂的晶相结构和测定了活性组分的平均颗粒度,采用TEM技术观察了催化剂的形貌。
采用高压有机溶胶法制得的Pt/XC-72R和Pt/CNTs催化剂,其活性组分的颗粒度分别可达2.5和1.2nm,活性比表面积可达128和179 m<2>/g Pt,对甲醇的电氧化活性可达81.3和114.7 mA/cm<2>,分别为商品催化剂(Johnson Matthey Pt/XC-72R)的2倍和2.8倍。
XRD结果表明:采用本方法制得的催化剂的活性组分具有极高的分散度和很小的颗粒度,TEM观察发现:活性组分在载体表面分散非常均匀,颗粒度分布范围小。结合XRD和 TEM的结果,我们发现:高压有机溶胶法制得的催化剂,不仅活性组分的颗粒度非常小,而且活性组分几乎是以准非晶态的形式呈二维分散在载体表面的。
循环伏安测试结果表明:作为络合剂,柠檬酸钠比酒石酸钠能制备具有更好催化活性的催化剂。当柠檬酸钠与Pt的物质的量之比为1:1时制备得到的Pt/XC-72R催化剂具有最好的催化活性。使用硅钼酸作为添加剂制备得到的Pt/XC-72R催化剂比没有添加硅钼酸的催化剂,其甲醇氧化活性提高了20%。采用高压有机溶胶法制得的PtRu/CNTs催化剂对甲醇的电氧化活性可达125 mA/cm<2>,是采用同种方法制得的Pt/CNTs催化剂的1.3倍。
本论文的研究结果对于燃料电池催化剂的制备研究具有重要意义。所研究的制备技术具有操作简单、得到的催化剂催化活性高等优点,该制备技术已成功应用于批量生产。