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直接醇燃料电池(DAFC)直接以液体醇作为燃料,不需要重整得到富氢的燃料气,具有清洁、环保、能量转换密度高等优点,是理想的替代电源,具有广阔的应用前景。但是甲醇/乙醇氧化的电极过程动力学缓慢制约了直接醇燃料电池的发展,因此研究和开发新型高效的甲醇/乙醇氧化的电催化剂是直接醇燃料电池研究的热点。DAFC使用的电催化剂,要求活性高、选择性好、耐腐蚀、寿命长、电子导电性良好,而且成本低。催化剂的载体、组成、结构及合成方法对其性能有显著的影响。本文从制备方法、组成和载体对催化剂的性能影响等方面进行了研究,主要内容如下：
1.采用化学镀的方法,以碳黑为载体制备了PtRu/C、PtSn/C、Pt-Ru-Sn/C催化剂。以PtRu/C为主考察了制备过程中活化-敏化前处理过程对催化剂性能的影响。研究发现,活化-敏化前处理有利于提高催化剂颗粒的分散性和均一程度,减小催化剂颗粒粒径尺寸,提高其催化活性。此外,还发现一步活化敏化法也同样能制备出分散性较好的催化剂,而且这种方法操作过程简单易行。该方法不仅适用于制备Pt-Ru催化剂,而且适用于其它担载型Pt基催化剂如PtSn/C、Pt-Ru-Sn/C等的制备。
2.采用水热方法合成不同粒径和形貌的碳球,并将其作为载体,采用化学镀的方法制备PtRu/C催化剂；利用XRD、SEM和TEM对碳球及催化剂的结构和形貌进行表征,结果表明,水热反应条件对碳球的粒径及形貌影响显著。采用电化学方法测试不同形貌碳球的比表面积以及碳球担载催化剂的催化活性,三种碳球担载催化剂的活性按照以下顺序衰减：多孔的粒径约为100 nm的碳球担载PtRu催化剂>连体碳球(单个碳球粒径约150 nm)>直径约500 nm的单分散碳球担载催化剂。TEM分析结果表明,在碳球表面化学镀的PtRu纳米颗粒均匀分散在碳球表面,其平均粒径约为3 nm。电化学测试表明粒径为100 nm的多孔碳球电化学比表面积较大,因此,以这种碳球为载体的PtRu/C催化剂对甲醇氧化的催化性能较高。
3.采用一步活化-敏化的化学镀方法制备了碳载PtRu、不同组成的Pt-Ru-Sn和PtSn催化剂,并研究了催化剂的组成对甲醇和乙醇氧化的电化学催化性能。
研究发现,在Pt催化剂中添加Ru和Sn均能促进甲醇和乙醇的阳极氧化反应,但是,催化效果存在很大差异,适用于甲醇氧化和乙醇氧化的催化剂的组成也不相同,富Ru的三元Pt0.472Ru0.413Sn0.115/C对甲醇阳极氧化表现出优越的催化性能和良好的抗中毒能力,而富Sn的三元催化剂Pt0.487Ru0.152Sn0.361/C对乙醇氧化的催化活性优于二元Pt-Sn/C和Pt-Ru/C催化剂。 4.对甲醇在二元Pt-Ru/C、Pt-Sn/C和三元Pt-Ru-Sn/C催化剂上的反应机理进行了探索和讨论。研究结果证明,无论是在二元催化剂上还是三元催化剂表面,甲醇在低过电位区和高过电位区反应的速控步骤分别是甲醇的吸附脱氢过程和CO等中间产物的氧化除去过程。Ru和Sn的添加并没有改变甲醇氧化的反应机理和速控步骤,而是提高了速控步骤的反应速率,从而加快了甲醇氧化反应进程。对甲醇在不同催化剂电极上氧化的热力学研究发现,Ru和Sn的协同作用能有效的降低甲醇氧化反应的活化能,这有利于提高甲醇氧化的反应速率。
5.采用溶剂热反应方法制备了Ni球、Co球以及珍珠项链形Ni和Co,研究了合成条件对Ni、Co的形貌结构的影响。通过优化条件控制合成具有特殊形貌的Ni和Co等纳米材料。并以其为载体或模板制备了Pt@Ni、Pt@Co和Pt催化剂,采用电化学方法考察了不同形貌的催化剂对甲醇氧化的催化效果。结果发现,以珍珠项链形Ni和Co为载体的Pt@Ni、Pt@Co和Pt催化剂对甲醇的催化氧化峰电流密度高于单分散的球形及颗粒Pt@Ni、Pt@Co、Pt。