电沉积制备PEMFC复合阴极催化剂的研究

• 作 者: 李梅
• 机 构: 南京工业大学
• 出 处: 南京工业大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 质子交换膜燃料电池 电沉积法 复合阴极 催化剂

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其启动速度快，能量转换效率高，低温工作等优点，被广泛应用于固定电站、便携式电源、车用动力电源等。目前，质子交换膜燃料电池的电催化剂仍然以铂为主，但其价格昂贵、资源短缺，制约其商业化应用。因此降低铂载量和寻找价格低廉的催化剂成为了该领域的研究重点。研究发现，在贵金属中添加过渡金属可以有效降低铂的使用量，并且在一定程度上提高了其催化活性。　　本文在贵金属铂中引入过渡金属镍和铁，采用恒压电沉积法制备形成Pt-Ni复合催化剂和Pt-Fe合金催化剂，达到降低铂使用量的目的。探究沉积顺序、沉积参数对合金催化剂组分、形貌、性能等的影响，并对电沉积制备合金催化剂沉积效率进行了分析研究。　　采用恒压电沉积法在多孔碳布表面制备Pt-Ni复合催化剂作为质子交换膜燃料电池的阴极催化剂。实验结果表明，共沉积过程中，Pt对Ni的析出存在诱导作用，使得Ni的析出电位正移，因此在-0.35V电位下可以成功制备得到Pt-Ni合金催化剂。电沉积顺序对催化剂的形貌影响较大，共沉积制备的Pt-Ni合金催化剂形貌为针形雪花状颗粒，Pt/Ni复合催化剂(先沉积Ni后沉积Pt)为小颗粒夹杂大颗粒的形貌，而Ni/Pt复合催化剂(先沉积Pt后沉积Ni)为雪花状颗粒;采用共沉积制备得到的Pt-Ni合金催化剂具有较高的催化活性，明显高于其他复合催化剂，由于原子半径较小的Ni进入Pt晶格中，使得Pt-Pt间距减小，增加了对氧的吸脱附过程。　　在电沉积制备合金催化剂过程中，沉积参数对催化剂形貌、分散性、晶粒大小及催化活性有着重要影响。本文重点讨论沉积电位、电解液温度和沉积时间对Pt-Ni合金催化剂的物理及电化学性能影响，通过沉积参数的优化，可以制备得到性能较佳的催化剂。实验结果表明，在-0.35V电位下，电解液温度为50℃，电沉积15min条件下制备的合金催化剂分散均匀且颗粒较小，此催化剂具有最佳的催化活性;CV测试结果表明，该条件下制备的催化剂EASA为49.81 m2/g，单铂催化剂为20.00 m2/g，说明过渡金属Ni的引入可以有效提高Pt对氧还原的催化活性。Pt-Ni合金催化剂的沉积效率大约为55％，质量损失可能是由于电沉积过程中析氢效应及催化剂脱落等原因造成的。　　另外，本文还在碳布表面电沉积制备Pt-Fe合金催化剂作为PEMFC阴极催化剂，随着电解液温度的升高，其催化剂粒径减小，结晶度提高，合金组分中Fe的相对含量增加。由SEM分析知，合金催化剂在碳布表面形成类似于“花簇“状颗粒，且分散均匀，这极大地增加了合金催化剂的比表面积，有利于提高其催化活性。由scherrer公式计算可知，Pt和Pt-Fe-50催化剂粒径大小分别为37.5nm和10.9nm，合金化后，晶粒尺寸明显减小，催化活性点增加。CV测试结果表明，Pt-Fe-5、Pt-Fe-25、Pt-Fe-50催化剂和Pt催化剂的EASA分别为15.71 m2/g、28.89m2/g、41.43 m2/g、18.10m2/g，合金化后，Pt对氧还原的催化活性明显提高。Pt-Fe合金催化剂的沉积效率大约为25％，沉积量损失可能是由于电沉积过程中析氢效应、Fe的氧化及催化剂脱落等原因造成的。