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电纺纳米碳纤维及其电催化性能的研究

王中伟  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)属于新能源技术,具有非常广阔的应用前景,但其所用的贵金属催化剂,具有成本高、耐久性差的缺点,阻碍了商品化的进程。目前广泛使用的Pt/C催化剂以碳粉为载体,存在导电性差、易团聚、易腐蚀、物料传质阻力大的问题。针对以上问题,本文采用静电纺丝技术制备了表面积大、孔隙率高、导电性好的纳米碳纤维载体。研究了聚合物材料的种类、质量分数、纺丝电压、喷丝速率、距离及温湿度等因素对碳纤维形貌及性能的影响,在此基础上,采用静电纺丝技术一步法成功制备了Pt基和Fe基的聚合物纤维材料,分别得到Pt/CNF(carbon nanofiber,CNF)和Fe/N/CNF电催化剂。主要结论如下:(1)聚合物种类基本决定了纤维材料的性能,在PVP、PVA、PAN和PI四种聚合物材料中,PAN和PI的纺丝性能出色,碳化纤维性能优异,比表面积分别达到了535和572 m~2/g。PVP纺丝最容易实现,但碳化纤维性能较弱,比表面积不高,易出现粉化现象。(2)通过电纺H_2PtCl_6/PVP溶液以及一系列的热处理及还原过程,Pt/CNF电催化剂被成功制备,该催化剂具有较好的纤维形貌,比表面积约为290 m~2/g,铂载量约为18 wt.%,拥有较高的氧还原活性,半波电位约为0.71V。(3)通过热解负载Fe、N前驱体的PI纳米纤维制备了一系列的Fe/N/CNFs催化剂。当Fe载量约为3 wt.%时,表现出最好的氧还原活性,并且氧还原反应过程以四电子过程为主。催化剂拥有优异的纤维形貌,纤维直径在200~300 nm之间,纤维表面存在大量介孔,其中Fe/N/CNFs-3电催化剂的比表面积为447m~2/g。与商业Pt/C相比,该Fe基催化剂的初始与半波电位分别只低于前者13.7和100.1 mV,经过5000次循环后,其初始与半波电位分别只负移了13.4和76.3mV,而Pt/C的则分别负移了114.7和270 mV,表明Fe/N/CNF电催化剂呈现了良好的催化活性和稳定性。


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