低铂载量燃料电池催化剂制备及性能研究

作     者：向志伟 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨喜昆

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：低铂催化剂 碳热还原 吡啶氮 氧还原反应 

摘      要：随着当今社会和经济的高速发展,人们对于能源的需求也越来越大,但是对化石能源的过度开采不仅会导致资源匮乏同时对于环境也会有一定的破坏,所以减少化石燃料的使用和探索开发可持续再生能源对于社会的发展具有重大的意义。氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高功率密度,快速启动、较低的工作温度和环境友好等优点而受到广泛关注。然而,其阴极氧还原反应(ORR)是一个缓慢的动力学过程,需要催化剂来加速这一反应。到目前为止,用于PEMFC的最有效的ORR催化剂仍然是Pt基催化剂。铂资源的稀缺和它们高昂的价格是PEMFC成本较高的一个主要因素,这严重地限制了PEMFC的商业应用。降低贵金属Pt的负载量,提升其资源的利用效率和催化作用性能,已经是PEMFC在商业化过程中一个亟待破解的难点。为了解决上述问题,本文首先选择不同的铂盐前驱体(HPt Cl、Pt(CHO)和Pt(NH)(OH)),采用简单的浸渍法吸附在载体上,通过冷冻干燥以及在氮气气氛下碳热还原,制备出低铂载量的铂碳催化剂。并选择不同的载体(氧化石墨烯和BP2000导电炭黑),采用相同的制备方法制备出低铂载量的铂碳催化剂。应用SEM、TEM、XRD、XPS等分析手段对催化剂的形貌、结构、化学组成及价态进行表征,采用电化学方法测试催化剂的ORR性能,得到以下结论:(1)不同前驱体制备的低铂催化剂中,采用Pt(NH)(OH)作为前驱体制备的催化剂展现出最佳的ORR活性;不同的载体所制备的催化剂中,采用预氧化后的BP2000作为载体所制备出的催化剂展现出更高的电催化活性。(2)采用Pt(NH)(OH)作为前驱体展现出高活性是因为前驱体中Pt(NH)与碳载体边缘与缺陷上的带负电的含氧基团之间的强静电吸附作用,使得Pt(NH)/C复合材料在碳热还原过程中不易发生团聚和长大,对于铂纳米颗粒的粒径大小和分布有一个很好的调控。(3)导电炭黑BP2000本身就具有良好的导电性,碳粉在经过预氧化处理后,具有更大的比表面积以及更多的带负电含氧基团,对于铂前驱体的充分锚定使得该催化剂中铂纳米颗粒分散更加均匀,尺寸更小(～3nm),因此该催化剂展现出优异的ORR活性。(4)XPS证实Pt(NH)(OH)在热解过程中产生了吡啶氮(pyridinic N)活性位点,吡啶氮与铂纳米颗粒的协同催化作用也使得Pt/C-N的具有更高的催化活性。电化学的测试结果表明Pt/C-N与商业铂碳相比具有更高的半波电势和更大的电流密度,根据计算,Pt/C-N的质量比活性是商业铂碳的三倍。