收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

低温燃料电池高活性高稳定性铂基催化剂的研究

罗凡  
【摘要】:燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术,它是一种是一种直接将化学能转化为电能的电化学发电装置,具有能量转化率高、对环境影响小、燃料多样化、快速启动、无机械运动部件等重要优点。当前,PEMFC中所使用的催化剂为碳载铂基催化剂,由于铂资源匮乏,价格昂贵,燃料电池成本居高不下。另外,燃料电池长时间运行会导致碳载体的腐蚀从而导致Pt迁移团聚及溶解。催化剂失活也制约着燃料电池商业化的进程。本文从催化剂载体修饰及催化剂修饰着手,探索制备了一系列高性能高稳定性铂基催化剂,大幅度提高了贵金属铂的利用效率。同时,还考察了添加物对Pt/C催化剂活性组分抗团聚及抗碳腐蚀的影响。首先,我们使用氧化锡与氧化硅所形成的二元氧化物修饰碳XC-72R表面,得到修饰的碳载体。以该载体负载铂制备得到一种高活性高稳定性的催化剂Pt/C-Sn0.3Si0.7Ox。氧化物能以非晶无定型薄层状覆盖于碳载体表面。双氧化物修饰的Pt/C-Sn0.3Si0.7Ox催化剂ORR电位高达1.04V vs.RHE,比商业JM Pt/C正移30 m V,其在0.9 V vs.RHE处电流密度比JM Pt/C提高50%。经过0.5 M H2SO4溶液中8000圈扫描的稳定性测试,Pt/C-Sn0.3Si0.7Ox的电化学活性比表面积下降了20%,ORR催化活性下降了14.7%,铂颗粒粒径未见明显增大。商业JM Pt/C催化剂化学活性比表面积下降了60%,ORR催化活性下降了52.5%,铂颗粒粒径增大约50%。而单一Sn O2修饰的Pt/C-Sn O2催化剂电化学衰减程度与JM Pt/C相当。表明Si O2的添加能够增强Sn O2的酸稳定性,将其固定于碳载体表面。氧化锡硅薄层覆盖于碳载体的表面,能有效分隔铂纳米粒子,防止活性组分团聚,有效提高催化剂稳定性。氧化锡硅薄层覆盖于碳载体的表面,能有效保护碳载体不被氧化腐蚀,防止由碳腐蚀所导致铂活性组分的团聚及脱落。其次,使用Sn Si的混合双氧化物进一步修饰商业的Tanaka Pt/C催化剂,通过烧结实验结合CV,TEM和单电池测试考察了催化剂的电化学稳定性及自增湿性。ORR催化活性测试表明,适量Sn O2的添加能够有效地提高催化剂的ORR催化活性,而Si O2的添加会覆盖铂活性位点导致催化剂活性下降。通过0.5 M H2SO4溶液中5000圈扫描的稳定性测试,经双氧化物修饰催化剂的电化学活性比表面积及ORR催化活性的衰减程度明显低于Tanaka Pt/C催化剂和经Sn O2修饰的催化剂。XPS及AAS测试表明Si O2的添加能够增强Sn O2的酸稳定性,将其固定于碳载体表面。抗烧结实验表明,经双氧化物修饰的催化剂显示出较好的抗烧结能力。这是由于氧化物存在于铂颗粒之间,阻止了铂颗粒的迁移团聚。低湿度电池性能测试表明,经双氧化物修饰的催化剂表现出较强的自增湿性能及稳定性。再次,采用共沉淀法使用ITO亚纳米颗粒修饰商业的JM Pt/C催化剂,通过烧结实验结合CV,TEM等考察了催化剂的电化学稳定性及抗碳腐蚀性。TEM表明,当ITO含量低于20%时,由于氧化物与载体之间的相互作用力,ITO以亚纳米粒子的形式高度分散与碳载体的表面,随着ITO含量增加,由于氧化物本身的作用力,ITO粒子严重团聚;XRD及XPS分析表明,Sn进入氧化铟结构中代替部分铟原子,形成良好的ITO结构,该结构经电化学测试表明其比单独存在的Sn O2具有更高的电化学稳定性和耐酸性;XPS分析表明,ITO修饰Pt/C催化剂,部分电子由氧化物表面转移至铂表面,降低了铂的d带中心,能够提高Pt-OH的生成电位,从而促进催化剂的ORR催化活性的提高。该结果得到电化学测试的证实;长时间高电位循环伏安测试表明,经ITO修饰的ITO-Pt/C催化剂电化学稳定性远高于JM Pt/C;经ITO修饰后催化剂抗碳氧化腐蚀能力增加,这是由于大量高分散的ITO粒子覆盖于碳载体表面,使得碳载体暴露在空气中的表面积减小,碳氧化可得到有效的阻止。最后,使用Nafion修饰碳XC-72R表面,得到修饰的碳载体。以该载体负载铂制备得到一种高活性的催化剂Pt/Nafion-C催化剂。TEM表征表明铂颗粒以极小的粒径(1.8 nm)高度分散于经Nafion修饰的载体上,Nafion由于所带–SO3H基团,结合铂离子,防止了铂的团聚。高分散度和小颗粒度导致催化剂铂的利用率增加,电化学活性比表面积提高。电化学循环伏安测试显示了Pt/nafion-C催化剂的甲醇氧化催化活性及ORR催化活性均高于Pt/o-C和Pt-nafion/C催化剂。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;在国产钒催化剂上二氧化硫接气过程的热效应的初步考察[J];硫酸工业;1979年S1期
2 李大东;;催化剂评选技术(上)[J];石油炼制与化工;1981年06期
3 吴广林;;硫化物对氨催化剂活性的影响及其防止办法[J];化肥工业;1981年03期
4 刘瑞寰;;钴催化剂代铂生产硝酸几个问题的讨论[J];化肥工业;1981年05期
5 ;A_(110-1)型催化剂使用小结[J];氮肥技术;1981年01期
6 ;低流体阻力钒催化剂的研制[J];硫酸工业;1983年02期
7 戴鹤松;;使用维护好化肥催化剂以节能降耗[J];江苏化工;1983年02期
8 冯孝庭;;转化催化剂的研究开发与使用[J];天然气化工(C1化学与化工);1985年06期
9 丰定豪;王文祥;;氨合成球形催化剂的工业使用[J];小氮肥设计技术;1986年05期
10 刘忠恕;;中变(低温)催化剂的合理使用与节能[J];氮肥技术;1986年06期
11 罗应娟;曾福林;;球形氨催化剂使用情况调查报告[J];中氮肥;1986年06期
12 丁家灏;;中、小型氨厂中变催化剂的使用与维护[J];小氮肥设计技术;1988年02期
13 任乃宏;;低变催化剂的损害及防止措施[J];中氮肥;1988年03期
14 钱小平;;A_(110-1)H型催化剂的应用[J];江苏化工;1989年03期
15 曾福林;;高强度A_(110-5Q)型氨催化剂使用情况[J];氮肥技术;1989年03期
16 林惠东;;氨催化剂快速还原新工艺[J];小氮肥设计技术;1991年02期
17 赵文同;耿建乐;;B_(117)型中变催化剂的使用[J];化肥工业;1992年05期
18 ;丙烯腈固定床七组分催化剂工业运转小结[J];合成纤维工业;1983年01期
19 А·Я·ЛОБОЙКО;;甲烷转化改良催化剂的使用经验[J];天然气化工(C1化学与化工);1977年02期
20 陈复俊;;在浮石银催化剂上甲醇制甲醛降低消耗定额的探讨[J];天然气化工(C1化学与化工);1984年04期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 王琦;王树荣;高翔;骆仲泱;岑可法;;SCR脱硝催化剂的性能试验研究[A];中国动力工程学会第三届青年学术年会论文集[C];2005年
2 蒋炜;梁斌;;整体式钒催化剂的实验室开发[A];第1届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2004年
3 黄元福;;全低变催化剂非氧化卸出的实践[A];全国化肥工业技术交流会论文资料集[C];2004年
4 余东洋;;浅谈预变炉催化剂更换方式[A];第十届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2013年
5 余东洋;;浅谈预变炉催化剂更换方式[A];第十届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2013年
6 杨学萍;;丙烯酸合成催化剂及工艺开发进展[A];第2届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘芳芳;生物质衍生掺杂碳基催化剂的制备及其氧还原电催化性能的研究[D];华南理工大学;2015年
2 蔡雯佳;甲烷二氧化碳重整反应催化剂的研究[D];复旦大学;2014年
3 李翔;Pt/CNTs催化剂的甲醇氧化和氧还原电催化机制及其镍、钴磷化物改性[D];华南理工大学;2015年
4 彭洪亮;掺杂碳基催化剂的制备及其氧还原性能研究[D];华南理工大学;2015年
5 罗凡;低温燃料电池高活性高稳定性铂基催化剂的研究[D];华南理工大学;2015年
6 吴燕妮;高性能及低铂燃料电池催化剂的制备及研究[D];华南理工大学;2010年
7 初园园;直接甲醇燃料电池阳极Pt基催化剂可控合成及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 苏虹;质子交换膜燃料电池催化剂的研究[D];中国科学院研究生院(理化技术研究所);2009年
9 曲振平;银催化剂上一氧化碳选择氧化反应的研究[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2003年
10 杨莉君;单原子壳层核壳结构催化剂及碳基非铂催化剂的制备与研究[D];华南理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘春红;醋酸甲酯加氢制醇Cu-Zn-Al催化剂的性能研究[D];西安石油大学;2015年
2 张璐;Au/CuO-CeO_2催化剂用于CO优先氧化反应性能及活性位的研究[D];内蒙古大学;2015年
3 李昊;Ce-Ti-W-O_x体系催化剂的制备及其NH_3-SCR性能研究[D];昆明理工大学;2015年
4 卜兴军;甲醇电化学氧化催化剂的研究[D];浙江大学;2015年
5 葛余俊;钴、氮掺杂多孔碳作为氧还原催化剂的研究[D];浙江大学;2015年
6 张辉;正丁烷氧化制顺酐钒磷氧催化剂助剂的研究[D];西南石油学院;2005年
7 贾宁;Fischer-Tropsch合成钴基催化剂的制备及性能研究[D];大连理工大学;2010年
8 杨玲;旋转床内苯烃化催化剂表面传质特性及润湿程度的研究[D];北京化工大学;2001年
9 王杰祥;锰基氧化物脱硝催化剂的制备及性能研究[D];昆明理工大学;2014年
10 穆雪梅;新型高效氧电极催化剂的研究与评价[D];天津大学;2008年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 全荣;高效利用焦炉煤气中氢的技术研究[N];世界金属导报;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978