【摘要】：工業(yè)革新和社會經(jīng)濟發(fā)展的同時難免會伴隨著能源短缺和環(huán)境污染的問題,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)作為新型綠色能源動力系統(tǒng),具有能源轉(zhuǎn)化率高,安靜,環(huán)境友好等諸多優(yōu)點,被認可為21世紀最具有前景的能源系統(tǒng)之一。但貴金屬Pt作為質(zhì)子交換膜燃料電池必不可缺的催化劑,其稀缺和昂貴的特性大大限制了燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的進程。解決上述問題的有效方法之一是利用價格較低的過渡態(tài)金屬部分取代Pt原子,形成相應的合金體系,合金原子通過兩者的協(xié)同效應,修飾金屬Pt的電子結構。這不僅能夠顯著減少Pt的用量,而且能夠顯著提高其催化活性。小顆粒Pt基晶體能有效提高原子利用率,但同時保持優(yōu)異的電化學性能。目前的大多數(shù)研究都側重于制備尺寸較小的單晶顆粒,并提高催化活性;而大顆粒單晶由于其極大的改善了納米結構中普遍存在的晶界電荷傳輸損耗,有效提高了電流密度,因此具有優(yōu)異的電荷傳輸性能。二者優(yōu)點的結合,仍然是催化劑材料制備的難點。結合以上的工作,本文從減少催化劑成本和提高ORR性能、穩(wěn)定性角度出發(fā),制備了多孔球形、立方形和多足Pt-Ni單晶催化劑。通過抗壞血酸,葡萄糖等還原劑,十二烷基三甲基氯化銨(DTAC)等帽式試劑,對Pt基納米材料催化劑形貌和結構進行了調(diào)控,并分別對它們的氧還原催化性能和循環(huán)穩(wěn)定性進行了表征。主要研究內(nèi)容如下:1.利用傳統(tǒng)的溶劑熱法,成功合成了具有多孔結構的大顆粒(47nm)Pt3Ni單晶催化劑。晶體以自組裝方式進行生長,帽式試劑DTAC對多孔與團簇(3-5nm)尺寸和數(shù)量的控制起著至關重要的作用。多孔結構可以有效增加催化劑的活性位點;交流阻抗譜測試結果表明,單晶的結構能有效降低晶界電阻的大小。ORR測試顯示,該Pt3Ni大顆粒多孔單晶催化劑的質(zhì)量活性為商業(yè)化Pt/C的6倍。另外,大顆�？梢杂行Ы档途w團聚和Ostwald熟化幾率,在長達10000圈耐久性循環(huán)后,其活性的損失僅為商業(yè)化Pt/C的二分之一。2.利用葡萄糖作為還原劑,DTAC為帽式試劑合成了 Pt1.5Ni納米顆粒,通過TEM觀察到該顆粒具有多通道立方形結構,平均邊長為42.5 nm。實驗發(fā)現(xiàn),DTAC在合成此形貌中起了決定性的作用。在無DTAC,其他實驗條件都相同的情況下,我們得到了形貌不規(guī)則的“飛鏢狀”納米顆粒。ORR性能測試表明,所合成的多通道立方形Pt1.5Ni納米顆粒具有優(yōu)異的電化學性能。與商業(yè)化Pt/C相比,其質(zhì)量活性和比活性分別提高了7.4 和 9.1 倍。3.通過一鍋法合成了結構和組成可控的Pt-Ni納米晶體。通過調(diào)節(jié)反應時間的長短可以顯著調(diào)節(jié)納米晶體的尺寸和形貌,晶體從四足狀形貌逐漸生長成多分枝結構,且伴隨著平均粒徑的增長。多足狀結構和較小的顆粒尺寸有利于增加催化反應的活性位點,因此極大的提高了顆粒中Pt原子的利用率,加之Ni原子的協(xié)同效應對Pt原子電子結構的修飾,實驗表明,元素組成為PtNi1.25的納米晶體的質(zhì)量活性達到了 0.757 A/mgPt,為相同測試條件下商業(yè)化Pt/C的9.1倍。
【圖文】：

業(yè)化的燃料電池和燃料電池系統(tǒng)來說，需要大幅降低生產(chǎn)和應用的材料和制造成本，能使燃料電池更具有市場競爭性。降低Ｐｔ是一個主要的突破口。逡逑效推廣燃料電池，當務之急是降低燃料電池的成本、提高燃料電能是至關重要的一個方面。逡逑的大規(guī)模應用受到陰極反應遲緩的極大阻礙。商業(yè)化Ｐ１／Ｃ催化ＯＲＲ催化劑，但是商業(yè)化的Ｐｔ／Ｃ性能較低，無法滿足當代社會。逡逑換膜燃料電池逡逑換膜燃料電池是為雙子空間飛行器研制的，具有工作溫度低，比室溫下快速啟動的諸多優(yōu)點［１４＿１６］。逡逑換膜燃料電池的示意圖如圖１．３所示。逡逑Ｐｒｏｄｕｃｔ邋Ｈ２０逡逑

帶正電荷的質(zhì)子通過膜擴散到陰極。電子通過外部電路從陽極流向陰極以提供逡逑電能。氧流過電池的陰極。最后，電子、質(zhì)子和氧氣結合形成水。質(zhì)子交換膜燃料電池逡逑的工作過程、組件和流動路徑如圖１．４所示。逡逑半反應發(fā)生在催化劑層內(nèi)。催化劑層的組成會影響燃料電池的性能和催化劑的利用逡逑率。逡逑單個燃料電池只產(chǎn)生最大大約一伏的電壓，并從這種電化學反應中產(chǎn)生少量的電能。逡逑控制陽極和陰極過程的化學反應和總的反應分別表示為如下方程式。逡逑陰極：２／／２邋—邋４Ｈ＋邋＋邋４ｅ—邐（１－８）逡逑陽極：0２邋＋邋４Ｈ＋邋＋邋４ｅ－邋—邋２／／２０邐（１－９）逡逑總反應方程式：２Ｈ２邋＋邋０２邋—邋２Ｈ２０邐（１－１０）逡逑Ｇ廣￣Ｘ邐邐邋Ｇａｓ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｌａｙｅｒ逡逑ＡＡ／Ｖ－ｖ邐門逡逑＼邐Ｉ邋Ｉ邋Ｃａｔａｌｙｓｔ邋ｌａｙｅｒ逡逑Ｉ邋Ｉ邋Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＿＿邐ｊ邋Ｉ——Ｉ邋（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）逡逑■＾ＶＡ／邋０２逡逑Ｈｚ邋ｖｗ＾邐Ｈ２0逡逑Ａｎｏｄｅ邐Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑圖１．４質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過程、組件和流動路徑逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＰＥＭ邋ｆｉｉｅｌ邋ｃｅｌｌ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑１．３．２限制質(zhì)子交換膜燃料電池的技術難題逡逑質(zhì)子交換膜燃料電池作為五大類燃料電池中性能較為突出的一類，具有非常重要的逡逑應用價值。然而，諸多現(xiàn)實的條件限制了質(zhì)子交換膜燃料電池的應用和推廣，尤其是其逡逑陰極氧還原的催化劑［１９＿２（）］。如表１．２中所示，質(zhì)子交換膜燃料電池常常以貴金屬Ｐｔ作為逡逑催化劑
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;O643.36

【參考文獻】

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1 陳延禧;聚合物電解質(zhì)燃料電池的研究進展[J];電源技術;1996年01期

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本文編號：2606006