DMFC阳极催化剂Pt-M/C的制备及性能比较

分别以铁、钴、镍、铬为掺杂元素,通过液相均相沉淀-气/固高温还原两段反应方法制备了四种碳载Pt-M/C(M=Fe,Co,Ni,Cr)催化剂,并比较了四种不同合金催化剂的电催化性能。采用X射线衍射法(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)技术测试了催化剂表面的元素构成、晶体结构、表面形貌及空间分布情况。测试结果表明,Pt-Cr/C的分散较好,粒径最小。室温(20℃)下,在电解液为0.5mol/L硫酸溶液及0.5mol/L硫酸与2mol/L甲醇混合溶液中,用循环伏安法(CV)研究其电催化活性。结果表明,Pt-Cr/C催化剂的电化学活性表面积最大,具有较强的抗CO中毒能力。     

非晶态Pt-CoSn合金上的甲醇电催化氧化

为了研究Pt修饰非晶态催化剂对甲醇电催化氧化行为的影响,采用两步法合成了碳载Pt修饰非晶态CoSn合金催化剂。使用透射电镜和X射线衍射技术分析了CoSn/C前体和Pt-CoSn/C催化剂的形貌及晶体结构;利用循环伏安法和旋转圆盘电极技术测试电化学性能,比较了Pt/C、PtRu/C和Pt-CoSn/C催化剂对甲醇氧化的电催化活性和稳定性。结果表明,Pt修饰非晶态CoSn合金催化剂对甲醇氧化有较好的电催化性能,Pt用量显著降低。非晶态CoSn合金具有良好的质子和电子传导能力,提高了Pt对甲醇氧化的电催化活性;Pt-CoSn/C对甲醇电催化的质量活性和稳定性要优于PtRu/C催化剂。     

低温燃料电池电催化剂的研究近况

质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)是两种最先进的低温燃料电池,介绍了它们的阳极和阴极电催化剂近年的进展。包括PEMFC中用纯H2作燃料时,阴极催化剂的Pt-Cr;用重整产品作燃料时,阳极能耐CO毒化的催化剂Pt-Ru和Pt-Ru/WOχ。DMFC中,阳极促进甲醇电氧化的PtRu、PtRuOs、PtRuNi和四氨络铂与喹啉基双胺络钴的混合物,阴极的碳载Pt和Co/Fe-卟啉。涉及到双功能机理,中间体机理,甲醇在PtRu阳极内的电氧化过程和Co/Fe-卟啉纳米结构对O2还原的边上电催化机理。用Ni作阳极电催化剂的直接2-丙醇燃料电池有希望作为汽车应用的新能源。     

杂多酸修饰碳纳米管载铂催化剂对甲醇的电催化

用滴涂法制备了杂多酸修饰多壁碳纳米管载铂催化剂( Pt/CNTs-HPA),研究了它在硫酸中的电化学行为以及对甲醇的电催化氧化.实验结果表明,与Pt/CNTs修饰电极相比,Pt/CNTs-HPA修饰电极对甲醇电催化氧化速率明显增加,且对甲醇的催化氧化是扩散控制的电化学反应过程,该修饰电极具有良好的稳定性.     

胶态Pt/C催化剂对甲醇的电催化氧化性能

研究了Pt金属载量为20%的碳载胶态Pt金属催化剂对甲醇的电催化氧化性能,并与E-TEK公司同类型催化剂进行了比较.X衍射光谱(XRD)和透射电镜(TEM)研究显示在胶态Pt/C催化剂中,Pt粒子的平均粒径为3.8 nm,并且具有良好的均一度.电化学研究显示尽管胶态Pt/C催化剂拥有相对较小的电化学活性面积,但对甲醇的电催化氧化性能却明显优于E-TEK公司的Pt/C催化剂,其原因应归结于利用有机溶胶法制得的胶态Pt/C催化剂拥有更合理的平均粒径.     

退火处理对碳载Pt-Ru-Ni催化剂稳定性的影响

为了提高直接甲醇燃料电池的阳极催化剂稳定性,对浸渍还原法制备的Pt-Ru-Ni/C催化剂进行退火处理,研究了处理工艺参数对催化剂活性和稳定性的影响;利用玻碳电极测试了处理过的催化剂在0.5 mol/L甲醇和0.5 mol/L硫酸混合溶液中的循环伏安曲线和计时安培电流曲线,考核了催化剂对甲醇电催化氧化活性和稳定性;通过X射线衍射(XRD)技术对催化剂的晶体结构进行了分析.结果表明,随着处理温度升高,催化剂晶格参数减小,粒径显著增大;随着处理时间延长,催化剂晶格参数同样减小,粒径增大幅度不大.电化学测试表明,退火处理有利于提高Pt-Ru-Ni/C催化剂的稳定性;在退火工艺参数范围内,200℃退火处理2 h为较好的工艺条件.     

TDMNPPFe(Ⅱ)/C的制备及电催化剂的制备及电化学稳定性

采用模板法制备了卟啉化合物Meso-5,10,15,20-四(N,N-二甲氨基苯基)卟啉铁(Ⅱ)(TDMNPPFe(Ⅱ)),用活性碳固载、活化制成催化剂.用TEM、XRD对催化剂的微观形貌进行了表征,结果表明,TDMNPPFe(Ⅱ)均匀分散在活性碳表面,当活化温度高于950℃时,催化剂表面开始出现金属原子簇结构的晶体.利用旋转圆盘电极表征了TDMNPPFe(Ⅱ)的催化氧还原活性,考察了活化温度、Fe(Ⅱ)载量对催化活性的影响.结果表明,最佳活化温度为600℃,最佳Fe(Ⅱ)载量为6%(质量分数).把600 ℃活化的6%载量的催化剂(Catmax)与Pt/C(ω=30%)作了比较,结果表明Catmax比Pt/C催化剂氧还原起始电位负约90 mV,但反应电子转移数相差不大.利用循环伏安法和线性伏安法测试了Catmax催化剂的耐甲醇性能,结果表明,甲醇的加入对催化剂的催化氧还原行为没有任何影响,表明TDMNPPFe(Ⅱ)具有良好的耐甲醇性能.     

合金化提高铂在PEMFC氧还原反应中的催化活性

用液相沉积-高温合金化法制备了铂基合金催化剂,用能量散射光谱(EDS)、X射线衍射(XRD)技术对催化剂的结构进行了研究,并测试了使用此催化剂的质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能,结果表明铂基合金具有面心立方的结构,铂与过渡金属的原子比接近3∶1;制备的催化剂性能优越,具有比纯铂更强的电催化能力,催化剂活性由高到低的顺序是Pt-Cr/C→Pt-Co/C→Pt-Ni/C→Pt/C。讨论了合金元素对催化剂活性的强化作用,认为合金元素的引入减小了Pt-Pt原子间距,降低了Pt的d电子轨道占有率,提高了催化剂的性能。     

工艺条件对Pt/CA甲醇电氧化催化性能的影响

以炭气凝胶(CA)为载体,采用液相浸渍还原法制备了Pt/CA催化剂,对比研究了各种制备工艺条件包括还原温度、热处理和还原剂种类对Pt/CA催化剂甲醇电氧化催化性能的影响。结果表明:当以HCHO为还原剂时,80℃比60℃更有利于制得结晶完好、电化学活性表面积大的高活性甲醇电氧化催化剂,热处理不仅不能改善该催化剂的甲醇电氧化催化性能,反而使其中的Pt颗粒团聚长大、电化学活性表面积降低、甲醇电氧化催化性能下降;与HCHO相比,乙二醇作为还原剂更有利于制得电化学活性表面积大、甲醇电氧化催化活性高的Pt/CA催化剂。     

CUTsPc掺杂Pt/C对甲醇催化行为的研究

研究了在E-TEK商品级Pt/C中掺杂四磺酸基酞菁铜(CuTsPc)后对甲醇的催化行为。红外分析结果表明,四磺酸基酞菁铜与Pt以Pt-SO3-结合。所得的复合催化剂与E-TEK商品级Pt/C在0.5mol/LCH3OH 1mol/LH2SO4的混合溶液中的循环伏安曲线比较,复合催化剂正扫峰电流大,回扫峰电流小,同时具有更低的氧化还原电位,说明复合催化剂具有更高的对甲醇的催化活性。通过改变扫描速度对两者的动力学参数进行比较,得出复合催化剂具有更低的Tafel斜率,有利于降低电极极化时的过电势。     

甲醇直接氧化催化剂及其电化学性能研究

采用还原法制备了甲醇电氧化催化剂 ,运用循环伏安法测定了不同温度下催化剂的活性和稳定性。利用XRD技术分析了催化剂的晶体结构 ,制作了DMFC单电池 ,测定催化剂电化学性能。结果表明 :随着温度升高 ,甲醇电氧化峰值电流增大 ,峰值电位正移。在 0 .1mol·L- 1 CH3OH/ 0 .1mol·L- 1 H2 SO4电解液中 ,玻碳电极上所涂布的Pt催化剂量为 0 .2mg/cm2 时 ,80℃时的甲醇电氧化峰值电流达到 132mA/cm2 ,而峰值电位相对于Hg/Hg2 SO4电极 (MSE)仅为+0 .66V ,经多次循环扫描达到稳态峰值电流后 ,峰值电位不产生正移。XRD分析表明 ,催化剂中的铂以Pt( 111)晶态存在。采用液体进样 ,甲醇浓度为 2 .5mol·L- 1 ,常压、工作温度为 80℃时 ,DMFC单电池开路电压为 0 .58V ,输出电压为 0 .4V时 ,单电池输出电流达 16mA/cm2 。     

MoOx、WOx对PtRu/C催化剂甲醇电氧化作用的影响

采用甲酸还原的方法制备了PtRu/C催化剂,溶胶-浸渍的方法制备了PtRuWOx /C、PtRuMoOx /C催化剂,通过循环伏安法和电流-电位极化法研究了催化剂对甲醇的电氧化作用。结果表明,MoOx ,WOx 组分对甲醇的电氧化具有促进作用。通过饱和吸附CO溶出电量测定三种电催化剂的电化学表面积,发现MoOx 、WOx 组分对CO无吸附作用,但能有效地催化CO的氧化。     

直接甲醇燃料电池中阳极催化剂的研究进展

从铂基合金催化剂、以导电聚合物为载体的复合催化剂和含氮的大环配合物的开发等三个方面重点综述了直接甲醇燃料电池(DMFC)中阳极催化剂的研究进展,同时简要概述了DMFC中甲醇渗透对电池性能的影响及其解决方案。有关研究表明,合金组成、催化剂载体以及大环配合物对阳极催化剂的催化活性和稳定性有着直接的影响。尽管目前已经进行了大量的关于甲醇在阳极催化剂上的作用机理的研究工作,但还未形成共识。另外,利用新的合成方法制备高分散的催化剂也是阳极催化剂发展的重要方向。同时,还须从根本上解决甲醇在Nafion膜中的渗透问题。     

DMFC的阻甲醇渗透研究进展

甲醇从阳极到阴极的渗透是影响直接甲醇燃料电池性能的主要因素之一。对甲醇渗透问题进行了综述,重点介绍了阻甲醇渗透技术。近年来,阻甲醇渗透技术的研究主要集中在对全氟磺酸膜如Nafion膜的改性以及其他新型聚合物电解质膜的研制上,此外还可以通过电池操作条件的改变以及电极结构的优化来消除或减少甲醇渗透的影响。     

基于改进BP神经网络的甲醇浓度间接测量方法

提出了一种直接甲醇燃料电池电堆中甲醇浓度的间接测量方法。该方法基于直接甲醇燃料电池(DMFC)电堆中单电池所表现出的电化学特性,根据电堆运行时的电流、电压和温度值,采用改进BP神经网络,实时计算出电堆中的甲醇浓度,在无需安装甲醇浓度传感器的条件下,实现了DMFC电堆中甲醇浓度的间接测量。实验结果表明该方法的相对误差精度范围为[0,1.96%],可用于微小型直接甲醇燃料电池阳极进料浓度的实时控制。     

直接甲醇燃料电池中多物理量分布的一维模拟

为了研究直接甲醇燃料电池(DMFC)内的电流、电位和各物质的浓度等物理变量的分布,建立了沿电池厚度方向的一维模型。模型的研究区域包括阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层。模型中较细致地描述了甲醇氧化的多步骤复杂反应,而催化层结构采用团聚体模型来描述,模型中还考虑了甲醇穿透对阴极氧气反应的影响和甲醇进料浓度对各物理量分布的影响。从模拟结果可以看到,在阳极扩散层由于甲醇氧化反应速率较大,甲醇在阳极催化层两侧的浓度梯度大于阳极扩散层浓度梯度;由于扩散层厚度远远大于催化层厚度,甲醇在阳极扩散层的浓度差比在阳极催化层的浓度差大;在阴极催化层由于甲醇氧化反应速率较小,甲醇浓度变化很小;电池内膜相电位不同导致各处过电位不同。     

甲醇阳极制备工艺

对甲醇阳极的制备工艺进行了研究。通过对甲醇阳极不同的气体扩散层的研究,得出由碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)形成的气体扩散层制成的电极电池性能最好,气体扩散层中PTFE的最佳含量为20%。通过甲醇阳极横断面的扫描电镜(SEM)与X射线散射图谱(EDS)分析,探讨了气体扩散层影响电池性能的原因。同时对碳纸支持层的影响也进行了研究。阴极空气近于大气压条件下,阳极Pt含量3.5mg/cm2,阴极Pt含量1.6mg/cm2,1mol/L甲醇浓度,电池温度60℃条件下,电池的开路电压为0.66V,0.4V时电池的电流密度为60mA/cm2,0.2V时电流密度为120mA/cm2。     

聚苯胺碳纳米管负载Pd对甲醇氧化性能的研究

在低温条件下,以导电聚合物聚苯胺修饰的碳纳米管为载体,通过微波辅助合成法制备催化剂。采用透射电子显微镜(TEM)测试手段对其进行微观结构表征,结果显示,聚苯胺修饰碳纳米管使载体表面Pd纳米粒子负载更加均匀,分散性得到改善;电化学测试结果显示,甲醇在Pd/CNTs-PANI(1∶0.08)催化剂上的氧化电流峰值明显增大,氧化起始电位从-0.411 V负移至-0.502 V,动力学性能提高;Pd/CNTs-PANI(1∶0.08)催化剂在测试过程中衰减平缓。聚苯胺修饰载体制备的催化剂对甲醇氧化具有较高的活性和稳定性。     

基于运行参数的直接甲醇燃料电池的实验

通过改变直接甲醇燃料电池的运行参数,研究了阳极甲醇流量、阴极空气流量、温度、阴极空气背压和甲醇浓度对电池性能的影响.研究表明:电池性能随阳极甲醇流量的增加先升高后降低,存在一个流量最优值;阴极空气流量提高有利于产物水的排出,从而提高电池性能;电池性能随电池温度的升高而提高,过高的空气预热温度使阴极过分干燥,从而使电池性...     

运行参数对单体直接甲醇燃料电池性能的影响

分别在不同温度、不同燃料浓度、不同燃料进料速度下测试了单体直接甲醇燃料电池的极化曲线、功率密度曲线以及阴、阳极的极化曲线.结果表明:随着电池操作温度升高电池性能逐渐提高,阳极极化过电位明显减小;但甲醇的渗透速率也同时增大,在阴极产生混合电位,增大了阴极极化;随着进料浓度升高,阳极出现浓差极化的电流密度增大,甲醇渗透速率增加,阴极电化学极化过电位增大;在电池运行温度、阳极燃料浓度一定情况下,进料速度对电池性能影响相对较小;在所研究的电池运行参数范围内,电池温度为60℃、阳极燃料浓度为1.0 mol/L、进料速度为2.5 mL/min时电池的性能最佳,最大功率密度为61.7 mW/cm2.