论文部分内容阅读
燃料电池由于其低排放甚至零排放并且具有高能量密度的特点引起了科学家的极大兴趣。尽管燃料电池已经研究了160多年，但是阳极催化动力学的限制和价格问题成为了燃料电池商业化所面临的最大挑战。而选择具有独特结构的载体和高活性的Pt基二元金属合金纳米粒子来制备高性能的负载型Pt基催化剂是解决这一问题的最主要的途径之一。新型碳材料例如碳纳米管（CNTs），石墨烯等的出现为催化剂载体的选择提供了更广泛的素材。对于碳纳米管来说，它独特的一维的结构，良好的导电性以及特殊的物化性质吸引了引起了科学工作者的极大的兴趣。然而，没有功能化的碳纳米管由于本身缺少足够的缺陷和官能团，这对于载体材料是十分不利的。同样地，石墨烯本身是一种二维的大的比表面积，高的杨氏模量，良好的热导性质的新型碳材料。单层或者层数较少的石墨烯片子（GS）由于氧化石墨烯还原过程中还原石墨烯之间的范德华力作用就会产生不可逆的聚集，从而造成其物化性能大大降低，特别是大大减少了它本身具有的高的比表面积。功能化是解决新型碳材料作为载体所存在的缺点的最常见和最有效途径之一。通过功能化之后的碳纳米管和石墨烯材料不仅增加了材料的官能团和缺陷位点而且也能够提高材料的比表面积和材料的导电性。对于甲醇的催化，PtRu纳米粒子一直被认为是作为甲醇催化剂的最好的贵金属材料。特别是近几年来环境和能源问题日益凸显，寻找清洁，高效，环境友好的合成手段制备贵金属负载型纳米催化材料显得越来越重要。本文主要通过化学方法对多壁碳纳米管（MWCNTs）和石墨烯进行功能化处理，然后利用微波乙二醇法对于PtRu纳米粒子进行原位负载，研究内容如下：1.PtRu/MWCNTs催化体系研究首先，通过微波辅助乙二醇法合成Pt纳米粒子载在酸化处理的多壁碳纳米管（Pt/MWCNTs）、PtRu负载在酸化处理的多壁碳纳米（PtRu/MWCNTs）和PtRu纳米粒子（NPs）催化剂，并且通过TEM，XRD，EDS等手段对材料进行了表征。然后，利用循环伏安，计时电流以及CO抗性测试等化学方法，探究了载体和Ru在催化剂中所起的作用，并且对PtRu/MWCNTs催化剂中的Pt/Ru原子比（2:1,1.5:1,1:1和1:1.5）进行了优化。最后，我们最终将优化后的催化剂Pt1Ru1/MWCNTs在实际直接甲醇燃料电池装置进行了I-V和输出功率测试，用Pt1Ru1/MWCNTs组装的直接甲醇燃料电池在80℃下最大输出功率高达121mW/cm2表现出了非常好的性能。2.PtRu/NGA催化体系研究首先，通过水热法合成石墨烯气溶胶（GA）和氮杂石墨烯气溶胶（NGA），利用石墨烯气溶胶良好的物化性质（多孔性、良好的导电性以及易操作性等）原位负载PtRu（1:1）制备出了PtRu/GA和PtRu/NGA催化剂，并且利用SEM，TEM，XPS等手段对材料进行了表征。然后，通过循环伏安，计时电流以及CO抗性测试等化学方法，对这种方法合成的催化剂的电催化性质进行测试，并且通过改变载体氮的含量和合成过程中体系的pH对PtRu/NGA进行了性能优化。最后，我们通过物理方法将整块的PtRu/NGA压成独立的阳极催化层材料，在直接甲醇燃料电池中进行了实际的器件测试并且与商业PtRu/C（E-TEK）和Pt/C（JM）进行了比较，PtRu/NGA所组装的电池在90℃下的输出功率高达93mW/cm2表现出了极好的性能。