【摘要】：近年來,燃料電池由于能量轉(zhuǎn)換效率高和清潔等優(yōu)點(diǎn),在交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是貴金屬鉑作為陰極氧還原反應(yīng)催化劑導(dǎo)致燃料電池成本過高,阻礙了燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前,廉價(jià)的非貴金屬催化劑(non-precious metal catalysts,NPMCs)氧還原性能已接近商業(yè)Pt/C催化劑,但穩(wěn)定性較差嚴(yán)重阻礙NPMCs的實(shí)際應(yīng)用。本文分別從用靜電紡絲法優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)和催化劑表面修飾CeO2這兩個(gè)角度來研究其對(duì)基于對(duì)苯二胺的NPMC穩(wěn)定性的影響。首先,使用靜電紡絲技術(shù)制備出高催化活性的NPMC催化劑,但發(fā)現(xiàn)其氧還原催化穩(wěn)定性較差。然后,我們用Ce02對(duì)固相法制備的NPMC進(jìn)行表面修飾,以盡量消除對(duì)催化劑穩(wěn)定性有危害的H202,這極大地提高了 NPMC的穩(wěn)定性。主要研究工作如下:(1)以對(duì)苯二胺與聚丙烯腈為氮源和碳源、六水合氯化鐵為鐵源,氧化鋅作為分散劑。利用靜電紡絲法制備納米纖維后經(jīng)聚合、兩次熱處理和酸洗等步驟得到PpPD/PAN-Fe-ZnO催化劑。SEM表征顯示催化劑微觀形貌為無序、斷裂的納米纖維結(jié)構(gòu)。BET表征表明催化劑比表面積為512 m2 g-1。且微孔比例達(dá)到47.8%,是PpPD/PAN-Fe的1.6倍。PpPD/PAN-Fe-ZnO在酸性、堿性下均有較高的氧還原催化活性。酸性和堿性環(huán)境下,PpPD/PAN-Fe-ZnO催化劑在900 rpm轉(zhuǎn)速下的氧還原半波電位分別為0.807 V和-0.086 V。酸性條件下PpPD/PAN-Fe-ZnO經(jīng)過2,000圈穩(wěn)定性測試后,半波電位負(fù)移約78 mV。穩(wěn)定性差的可能原因是催化劑氧還原過程中雙氧水產(chǎn)率較高。因此,催化劑穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。(2)使用水熱法對(duì)已制備的PpPD-Fe-ZnO催化劑樣品進(jìn)行CeO2表面修飾,合成了 CeO2質(zhì)量比不同的PpPD-Fe-ZnO-Ce02催化劑。由TEM和XRD表征發(fā)現(xiàn)CeO2均勻地分散在PpPD-Fe-ZnO催化劑表面,其團(tuán)簇粒徑為1-5 nm。電化學(xué)表征顯示PpPD-Fe-ZnO-6%CeO2的半波電位僅比PpPD-Fe-ZnO催化劑低約20 mV,但其穩(wěn)定性得到大幅提升。經(jīng)過10,000圈穩(wěn)定性測試后,PpPD-Fe-ZnO半波電位負(fù)移約110 mV,而PpPD-Fe-ZnO-6%CeO2催化劑半波電位的負(fù)移值僅是其一半。氧還原過程中產(chǎn)生的H2O2對(duì)催化劑穩(wěn)定性危害很大。作為自由基淬滅劑的CeO2對(duì)PpPD-Fe-ZnO催化劑的表面修飾使其H2O2產(chǎn)率下降明顯。這顯著降低H2O2對(duì)催化劑活性位點(diǎn)的破壞,進(jìn)而提高催化劑穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4
【圖文】：

逑１．１．３質(zhì)子交換膜燃料電池逡逑如圖１－２所示，膜電極，流場板，端板和外電路從內(nèi)到外構(gòu)成了邋ＰＥＭＦＣｓ逡逑的單電池結(jié)構(gòu)。ＰＥＭＦＣｓ的核心部件是膜電極。而膜電極是由質(zhì)子交換膜（ｐｒｏｔｏｎ逡逑ｅｘｃｈａｎｇｅ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ，簡稱邋ＰＥＭ）、催化劑（ｃａｔａｌｙｓｔ）和氣體擴(kuò)散層（ｇａｓ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ逡逑ｌａｙｅｒ，簡稱ＧＤＬ）三部分組成的五層架構(gòu)電極。中間層的質(zhì)子交換膜主要起到逡逑兩種作用：１）隔絕陽極的Ｈ２和陰極的０２：邋２）傳導(dǎo)質(zhì)子。目前，全氟磺酸膜是逡逑最常用的質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜兩側(cè)的催化劑可以催化氣體擴(kuò)散層提供的Ｈ２逡逑和０２，進(jìn)而產(chǎn)生電流。逡逑＾Ｃｅｒｅｎｔ邋ｃｏｎｄｏｒ邋＾邋Ｇａｓ邋ｄｉｍｉｄ0ｎ邋Ｉａｙｗ邐＾逡逑Ａｎｏｄｅ邋Ｅｊｉｄ邋Ｐｌａｔｅ°邐／邋ＭＥＡ逡逑

本文編號(hào)：2800568