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质子交换膜燃料电池阳极非贵金属催化剂的研究

【摘要】: 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)电极普遍采用Pt/C电催化剂。由于铂资源非常匮乏,极大的限制了PEMFC的大规模应用,寻求可替代Pt/C催化剂的非贵金属材料,已经迫在眉睫。本文选择了W、Mo、Co等金属,采用浸渍还原法、热还原法、改进的热还原法以及溶胶凝胶法分别制备了这几种金属的碳载催化剂,对制备出的非贵金属催化剂进行了电化学测试、X-射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)等测试,研究结果表明:这些非贵金属在硫酸体系中对氢气的氧化反应均有一定的催化活性。 通过对不同载量的催化剂进行研究发现,如果催化剂颗粒不导电,适量的碳粉对于催化剂的导电性是必需的,不能无限制增加催化剂的载量。以硼氢化纳(NaBH4)为还原剂的浸渍还原法制备的Mo、Co催化剂并不能得到单质的金属,而且抗腐蚀性能不好。其中,Co催化剂的抗腐蚀性比Mo催化剂更差。对Co催化剂采用掺杂Mo或W后发现,催化剂的抗腐蚀性能增加了,但是催化剂的活性基本不变。用氢气在800℃高温下热还原的方法制备的Co催化剂能够得到单质的Co,但是此催化剂的抗腐蚀性能也很差。 采用普通热还原法,制得碳化钼和碳化钨催化剂。其中碳化钼以Mo_2C形式存在,碳化钨以W2C和WC的形式存在。由于W2C的存在导致催化剂的抗腐蚀性能不好,而Mo_2C催化剂抗腐蚀性能相对较好。通过比较不同的制备方法发现,溶胶凝胶法制备的Mo_2C催化剂对氢气的活性最好,改进的热还原法制备的催化剂的活性其次,性能最差的是普通热还原法。三种方法制备出的催化剂粒径也是依次增大,分别为6nm、10nm和13nm左右。其中性能最好的载量为40mass%的Mo_2C/C催化剂在0.5mol?L-1的硫酸溶液中,电极电位0.5V时电流密度达到0.035mA?cm-2,载量为2mass%的Pt/C催化剂在同样条件下电流密度达到0.12mA?cm-2。尝试了对Mo_2C/C掺杂Pt的实验,发现含40mass%的Mo_2C和2mass%的Pt的催化剂比载量为2%的Pt催化剂性能大有提高,在0.5mol?L-1的硫酸溶液中,电极电位0.5V时电流密度达到0.34mA?cm-2。对于掺杂Pt的制备方法也进行了研究。先制备出Mo_2C/C催化剂,然后用硼氢化纳还原出Pt的方法制备的催化剂催化活性最好,抗腐蚀性能最好。单纯用浸渍还原法同时还原出Mo和Pt的方法不管是催化活性和抗腐蚀性能都最差,将此方法制备的催化剂放入管式炉中高温

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