摘要：甲醇燃料电池(DMFC)具有能量密度高、结构简单、运行温度低等优点研发的热点。,就该种燃料电池研制的现状,催化剂高的铂用量和高的阳极极化过电位等极大地限制了其商业化开发。同时,阳极催化剂在DMFC长时间运行中粒子团聚、组分流失等原因制约了DMFC寿命的提高。PtRu基催化剂是DMFC广泛使用的阳极催化剂,为了提高催化剂的活性和稳定性,本论文从催化剂的制备技术入手,较为系统地研究了催化剂组成、结构和粒子大小等对催化剂活性和稳定性的影响,进而优化了催化剂的制备,为DMFC实用催化剂研发打下了基础。本论文金属簇合物途径分别制备了DMFC用PtRu/C,PtRuNi/C和PtRuSi/C纳米阳极催化剂,研究了这些催化剂结构和性能之间的“构～效”关系,并与商业化PtRu/C催化剂(Johnson Matthey,J-M)上的性能了比较。主要研究结果如下:1.制备出了具有不同原子比的PtRu/C,PtRuNi/C和PtRuSi/C三类催化剂,这些催化剂具有粒径小、分散度高等特点,粒径在1～3nm范围内可调控。是Si的添加地减小了催化剂纳米粒子的尺寸。X-射线衍射(XRD)结果金属簇合物途径制得的催化剂呈单相、无序的面心立方结构。2.实验发现催化剂对甲醇氧化的活性和稳定性与催化剂的组成和结构等密切。对于PtRu/C催化剂,当Pt:Ru原子比为2:1、热处理温度为175℃时其对甲醇氧化的电催化活性最高,催化活性较PtRu/C(1:1,J-M)催化剂提高了约22%;对于PtRuNi/C催化剂,当Pt:Ru:Ni的原子比为60:30:10、热处理温度为175℃时催化活性高于方法制备的Pt_2Ru_1/C催化剂,PtRuNi/C催化剂增强的催化活性可归结为催化剂高的分散度和Ni的助催化作用。3.PtRu/C和PtRuNi/C催化剂的电催化稳定性变化规律,随催化剂热处理温度的升高,催化剂的电催化稳定性了增强。PtRu/C和PtRuNi/C催化剂经175℃热处理后具有的高的催化活性可归属于最大量的Ru的水合氧化物的存在;而催化剂经高温热处理后电催化稳定性的提高可归因于热处理导致的催化剂合金化的提高。显然,Ru的水合氧化物的存在有助于催化剂活性的提高,而合金化是影响催化剂稳定性的最的因素。这一发现有助于解决PtRu基催化剂热处理温度对催化剂活性和稳定性影响的争议。4.自制高载量的PtRu/C(50wt.%)作为甲醇燃料电池阳极催化剂,制备的膜电极集合体在相同的条件下功率密度要高于商业化催化剂的,金属簇合物途径能高活性的高载量PtRu/C催化剂。5.Si的添加不仅能减小催化剂粒径,在保持PtRu催化剂高活性的同时,还能提高催化剂的稳定性。本论文研究,金属簇合物途径粒径小、粒径分布范围窄的纳米电催化剂。制得的PtRu/C、PtRuNi/C和PtRuSi/C纳米催化剂和商业化催化剂相比,不仅催化活性了提高,稳定性也有了很大的改进。更的,本论文的研究工作还解决了PtRu基催化剂热处理温度对催化剂活性和稳定性影响的争议。关键词：甲醇燃料电池论文金属簇合物论文纳米粒子论文电催化论文甲醇氧化论文
摘要4-6
ABSTRACT6-8
目录8-11
章 绪论11-30
1.1 引言11
1.2 燃料电池回顾及发展现状11-12
1.3 燃料电池的特点和分类12-14
1.3.1 燃料电池的特点12-13
1.3.2 燃料电池的分类13-14
1.4 质子交换膜燃料电池14-15
1.5 甲醇燃料电池15-28
1.5.1 甲醇燃料电池的研究现状15-17
1.5.2 甲醇燃料电池存在问题和解决方案17-18
1.5.3 甲醇阳极氧化机理研究18-20
1.5.4 甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展20-25
1.5.5 甲醇燃料电池阳极催化剂的主要制备方法25-28
1.6 本论文的工作思路28-30
1.6.1 研究28-29
1.6.2 研究内容29-30
章 实验30-34
2.1 试剂和30
2.2 实验仪器30-31
2.3 金属羰基簇合物的合成装置31-32
2.4 催化剂的物理表征32
2.4.1 等离子体发射光谱(ICP-AES)32
2.4.2 X-射线衍射(XRD)32
2.4.3 透射电子显微镜(TEM)32
2.5 催化剂的电化学表征32-34
章 PtRu/C二元纳米合金催化剂的制备及性能评价34-48
3.1 引言34
3.2 PtRu/C纳米合金催化剂的制备34-35
3.3 结果与讨论35-47
3.3.1 原子组成对PtRu/C催化剂结构与活性的影响35-38
3.3.2 热处理温度对PtRu/C催化剂结构与性能的影响38-43
3.3.3 高载量PtRu/C催化剂的制备及在膜电极上的活性评价43-47
3.4 小结47-48
章 PtRuNi/C三元纳米合金催化剂的制备及性能评价48-57
4.1 引言48
4.2 PtRuNi/C三元纳米合金催化剂的制备48-49
4.3 结果与讨论49-56
4.3.1 原子组成对PtRuNi/C催化剂结构与活性的影响49-52
4.3.2 热处理温度对PtRuNi/C催化剂结构与性能的影响52-56
4.4 小结56-57
第五章 PtRuSi/C纳米催化剂的制备及性能评价57-63
5.1 引言57
5.2 PtRuSi/C纳米催化剂的制备57
5.3 热处理温度对PtRuSi/C催化剂结构与性能的影响57-61
5.4 小结61-63
第六章 与展望63-65
6.1 63-64
6.2 展望64-65
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