質(zhì)子交換膜燃料電池Pt-C電催化劑和膜電極的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高效和潔凈等突出優(yōu)點(diǎn)，是最有發(fā)展前途的一種電池，可廣泛用于移動(dòng)電源和便攜式電源。目前普遍采用的Pt/C電催化劑以及膜電極(MEA)，作為PEMFC的關(guān)鍵材料與技術(shù)，其價(jià)格昂貴且性能有限，成為制約PEMFC實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的主要因素，所以對(duì)PEMFC電催化劑以及膜電極的研究，具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。 本文提出和研究了制備Pt/C電催化劑的一種新型反膠束法。由于采用更為科學(xué)的工藝路線，可以

2、制得粒徑細(xì)小、分布均勻、結(jié)晶度較低和電催化活性更高的Pt晶粒，而且與原工藝相比，所制備的Pt/C電催化劑的實(shí)用性能顯著提高。 采用多種先進(jìn)的測(cè)試方法，對(duì)反膠束體系的形成、Pt/C電催化劑的制備以及表征進(jìn)行了全面的研究和優(yōu)化。重點(diǎn)考察和研究了該方法的關(guān)鍵技術(shù)和影響因素，包括表面活性劑的種類、水與表面活性劑的摩爾比、表面活性劑的濃度、H2PtCl6水溶液的濃度、還原反應(yīng)方式等對(duì)所制備的Pt/C電催化劑的物理化學(xué)性能以及電化學(xué)性能的影

3、響。 將采用新型反膠束法制備的Pt/C電催化劑，與代表世界先進(jìn)水平的JohnsonMatthey公司商品化的催化劑進(jìn)行了全面的性能對(duì)比，結(jié)果表明自制催化劑具有較高含量的Pt(111)晶面、較大的孔體積、比表面積和孔直徑，在電催化活性與MEA工作性能方面，均與進(jìn)口催化劑接近。 采用新型反膠束法，通過改變水與表面活性劑的摩爾比以及表面活性劑的濃度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pt/C電催化劑中Pt晶粒粒徑的有效調(diào)控(3-8nm)。 研究

4、了Pt/C電催化劑中Pt晶粒的粒徑對(duì)其電催化性能的影響，結(jié)果表明：作為陰極氧還原反應(yīng)(ORR)電催化劑時(shí)，隨著Pt晶粒粒徑的降低，電催化活性和MEA的工作性能逐漸提高；而作為陽極電催化劑時(shí)，其粒徑對(duì)電催化活性和MEA工作性能的影響甚小。 揭示了Pt晶粒粒徑效應(yīng)的可能作用機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，隨著Pt/C電催化劑中Pt晶粒粒徑的減小，其相對(duì)結(jié)晶度逐漸降低，晶體表面缺陷增多，同時(shí)ORR峰電流增大，峰電位正移，Pt的電化學(xué)比表面積增大，導(dǎo)致

5、電化學(xué)反應(yīng)電阻減小，電催化活性提高。 在控制Pt晶粒粒徑的條件下，研究了Pt/C電催化劑中Pt的含量對(duì)其電催化性能以及MEA工作性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Pt含量為30％時(shí)，Pt/C電催化劑具有較大的電化學(xué)比表面積，所制備的MEA也具有較高的工作性能。 采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)研究了PEMFC膜電極的一些運(yùn)行條件對(duì)其工作性能影響的機(jī)理，通過測(cè)量數(shù)據(jù)的解析和等效電路的數(shù)學(xué)模擬，得到了與MEA結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的電極諸參數(shù)(MEA的氧

6、電極和氫電極的電化學(xué)反應(yīng)電阻、歐姆電阻和雙電層電容)隨運(yùn)行條件(電池溫度、反應(yīng)氣體壓力和電池工作電壓)的變化規(guī)律，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了探討。 對(duì)MEA活化過程的機(jī)理進(jìn)行了研究：EIS研究表明，活化過程大大降低了氧電極的電化學(xué)反應(yīng)電阻，歐姆電阻也有所下降，并且使得氫電極和氧電極的雙電層電容顯著增大，導(dǎo)致MEA的電極有效面積增大；XRD研究表明，活化過程使MEA中的Pt/C電催化劑的晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，其Pt(111)晶面間距減小，