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阴极催化剂是质子交换膜燃料电池最重要的组成部分之一,其主要作用是催化氧气还原生成水。当前阴极催化剂的主要成分为Pt/C,但由于Pt价格昂贵且资源稀缺,限制了质子交换膜燃料电池的商业化进程。因此,寻找廉价催化剂,提高催化剂利用率成为阴极催化剂研究的主要目标。而纳米Ag具有较高的比表面积、电导率,较好的催化活性,且Ag的价格仅为Pt的1/62,因此选择Ag作为阴极催化剂具有较大优势。本论文通过化学还原法制备Ag/C作为阴极催化剂,同时研究过渡金属Fe、 Co、Ni的加入对Ag/C电催化性能的影响。
首先,针对XC-72炭黑亲水性低、在水溶液中分散性差的问题,研究了酸化处理对载体XC-72炭黑的影响。结果表明硝酸.硫酸混合酸处理XC-72炭黑,有利于增加炭黑表面含氧官能团,提高其在水溶液中的分散性,同时有利于提高金属颗粒在炭黑表面上的分散性。
其次,研究了Ag/C作为酸性环境下氧气还原催化剂的Ag最佳载量、电化学活性及耐久性。通过研究发现当Ag在炭黑上的载量为30wt%时,对氧还原具有最高的催化活性,且通过XRD及TEM测试得知Ag颗粒尺寸约为17nm,均匀分散在炭黑颗粒表面。在相同环境下比较Ag/C和商业Pt/C发现二者的催化活性接近。但是通过对30wt% Ag/C在酸性环境下的耐久性测试发现,经过10次CV循环后其性能降低较大,稳定性不高。
再次,为提高Ag/C作为酸性环境下阴极催化剂的耐久性,研究了过渡金属Ni的加入对Ag/C结构及性能的影响。结果表明Ni的加入显著提高了Ag/C的电化学活性和稳定性,Ni-Ag之间主要以核.壳结构的形式存在。热处理进一步提高了Ag-Ni/C的电化学活性,这是因为热处理增加了Ag-Ni核壳结构内部的合金成分,而Ag-Ni之间的d轨道杂化有助于提高对氧气的还原催化活性和酸性环境下的耐久性。
最后,为了进一步探索与Ni邻近的其他过渡金属的引入对Ag/C催化性能的影响,分别研究了不同组分的Ag-Fe/C及Ag-Co/C。结果表明,Fe和Co的加入均有助于提高Ag/C的电化学活性,但金属颗粒仍保持Ag的面心立方结构。综合比较Ag-Fe/C、Ag-Co/C、Ag-Ni/C发现热处理前后Ag3Co/C均显示最高的电化学活性,而Ag3Ni/C-600℃显示了最高的电化学稳定性。