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直接甲醇燃料电池(DMFC)和直接甲酸燃料电池(DFAFC)都是未来各种小型便携式电源的理想动力源。但是,它们的阳极催化剂对甲酸或甲醇氧化的电催化性能较低是要解决的问题之一,因此,在DMFC和DFAFC中,研究高性能的阳极催化剂是一个重要的研究方向。因此,本论文主要从改变炭载体表面基团等方面来提高阳极催化剂的电催化性能。主要的研究结果如下:
1.研究发现将活性炭相继用硝酸和氨水处理后,制得的炭载Pd(Pd/C)催化剂对甲酸氧化的电催化性能有很大提高。这主要是由于用硝酸能使活性炭表面富有含氧基团它能使制得的Pd/C催化剂中Pd粒子的平均粒径降低,而用氨水处理能使活性炭表面富有含氮基团,它能使制得的Pd/C催化剂中pd0的含量增加,这两个因素的结合使Pd/C催化剂对甲酸氧化的电催化性能得到很大提高。这也证实了活性碳的表面官能团对Pd/C催化剂的结构和性能都有较大影响。
2.研究发现活性炭在硝酸处理后进一步经磷酸浸渍,并于500℃下热处理后,能使制得的Pd/C催化剂对甲酸氧化的电催化性能有很大提高。这主要是由于活性炭经硝酸和磷酸处理后,活性炭表面富有含氧和含磷基团,这使制得的Pd/C催化剂中的Pd粒子分布均匀,且Pd0含量明显增加,因此对甲酸氧化表现出较好的电催化性能。而且,催化剂的电催化性能与热处理温度有关,在500℃下热处理得到的Pd/C催化剂的电催化性能要优于600℃下热处理的,这是由于500℃下热处理制得的活性炭表面含有更多的磷。
3.研究发现,甲醇在Pt-Ru/C阳极催化剂上的循环伏安曲线中的氧化峰峰电位和峰电流随扫描次数而发生变化。在1.35圈时,甲醇氧化峰峰电位随扫描圈数的增加而正移,而峰电流密度随扫描圈数的增加而增加。在36-80圈时,甲醇氧化峰峰电位基本稳定。这主要是由于在开始时,Pt-Ru/C催化剂表面处于富Ru状态,在扫描时,催化剂表面Ru逐渐溶解。在35圈扫描后,表面Pt和Ru的含量达到一个稳定状态而使Pt-Ru催化剂的电催化性能也基本达到稳定状态。由此可见,Ru主要对甲醇的氧化峰电位产生影响,而Pt主要对峰电流密度产生影响。因此,在制备Pt-Ru/C催化剂时,要考虑最佳的Pt和Ru的原子比,使能得到性能最好的Pt-Ru/C催化剂。