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TiB_2陶瓷颗粒在HF和H_2O_2液体中组成、结构和性能演变规律的研究

黄飞  
【摘要】: 作为PEMFC重要组成部分,高性能与低成本的催化剂体系是决定PEMFC实际应用的重要指标之一。目前改善催化剂的方法主要包括:合金Pt催化剂、非Pt催化剂、高效催化剂载体以及优化的催化剂结构。其中,催化剂载体能很好地分散催化剂Pt,减少Pt催化剂的用量,提高催化剂的催化活性。传统的催化剂载体主要是多孔碳黑,这种载体在PEMFC环境中长期运行存在腐蚀问题,从而导致催化剂Pt的流失、迁移和团聚。本课题选取TiB_2导电陶瓷作为载体,从载体的结构和化学性质等方面着手,研究其作为PEMFC催化剂载体的可行性。主要研究内容包括以下三个方面: 1)采用行星球磨对TiB_2粉体进行超细化。通过对大粒径的TiB_2粉末进行球磨,研究球磨时间、球磨速度、球料比、球磨气氛以及后续的酸洗和分级工艺的影响,尽量降低TiB_2载体的粒径大小,并对球磨过程中出现的一系列物理化学现象进行解释,尤其是超细化过程中的氧化问题和显微结构演变的问题。通过合理控制一些关键工艺参数,进一步降低TiB_2的氧化;同时采用HRTEM, SEAD等表征手段对球磨中间态进行表征,建立理论同结构演变之间的关系。结果表明TiB_2在高应力作用下择优沿着[0001]和[10-10]方向发生塑形滑移并最终发生裂解。 2)特殊形貌结构TiB_2基材料的合成。目前商业化的TiB_2均采用高温固相反应制得,由于其各向异性,容易沿着C轴择优生长形成光滑的六方柱状晶体结构,这种结构不利于Pt的负载和固定,在一定温度场、流场和气体压力下长期运行容易剥落,使Pt发生团聚和迁移,造成成本的浪费和催化效率降低。本文采用球磨工艺及等级分离方法,成功合成出花状双头TiB_2纳米晶须。同时以乙二胺为添加剂,采用HF或过氧化氢溶剂热的方法,成功合成出中空双金字塔结构、凤梨结构、海胆状核壳结构和纳米墙状核壳结构TiB2/Ti02杂化材料。HRTEM、XRD、EDS、XPS结果显示退火后海胆状核壳结构TiB_2/TiO_2杂化材料是一种典型的氮掺杂TiO_2/TiB_2异质结材料。UV-vis光谱表明这种氮掺杂异质结的吸收峰的吸收边发生了明显的蓝移。 3)PEMFC化学环境的模拟。通过对氢氟酸环境和过氧化氢环境的模拟,考察TiB_2材料在氢氟酸环境和过氧化氢环境中的运行情况。通过对水热温度、水热时间、浓度、添加剂等参数的控制,详细研究TiB_2材料在这种环境中的形貌、结构和组成的变化,从而进一步验证TiB_2材料在这种环境的稳定性,分析TiB2基材料作为PEMFC催化剂载体的可行性。结果表明TiB_2材料在HF和H_2O_2环境中发生氧化,通过合适工艺的控制,可以得到一定形貌的杂化材料。电化学测试结果表明这种具有特殊结构的杂化材料具有同TiB_2原粉相当的电化学稳定性。


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