直接甲醇燃料电池阳极催化剂及甲醇氧化稀土助催化剂剂研究

燃料电池以其高效、环境友好的发电方式，被誉为21世纪的能源技术。其中，直接甲醇燃料电池（DMFC）更以燃料甲醇来源丰富，价格低廉，储存、携带方便而成为近年的研究热点。但是，DMFC在其实用化之前还需要解决一些重要问题，其中的关键之一就是高性能的贵金属催化剂的研究。我们知道，甲醇的电化学活性要低于氢气三个数量级；而且甲醇在R表面进行电化学氧化时，其中间解离吸附产物会造成贵金属催化剂中毒，显著降低了催化剂的活性。因此，要使DMFC具有相当高的电流密度和运行稳定性，就需要对贵金属催化剂制备进行不断的研究和改进。在本文的工作中，主要从Pt/C催化剂的制备方法、新型碳纳米管载体、稀土助催化剂等三个方面进行了研究和探索，取得的具体结果如下：1．Pt／C催化剂制备方法的研究与改进（1）在本组已有的研究结果基础上，对预沉积还原法进行了一些改进，采用原子吸收光谱（AAS）进行表征，发现Pt的利用率得到了明显的提高。采用X射线衍射。（RD）、透射电子显微镜（TEM）和BET表征铂的粒径、晶态结构和催化剂特性，分析表明，经过改进的预沉积还原法制备的催化剂仍然具有良好的分散性、较小的粒径、较低的晶态结构和良好的催化剂特性，电化学测试证明其性能要优于同等的E-TEK催化剂。（2）借鉴冶金学中的相关技术，提出了一种新的Pt/C催化剂制备方法一程序升温焙烧法。该方法的具体步骤增强了金属催化剂粒子和碳载体之间的相互作用力，提高了碳载体的导电性，并且形成了部分有利于催化反应进行的活性晶态结构。得到的R／C催化剂获得了近似E-TEK催化剂的催化活性，在具体方法上仍有改进的潜力。采用了同（1）的催化剂表征方法。2．甲醇电化学氧化稀土助催化剂研究在直接甲醇燃料电池Pt/C催化剂的研究过程中，一个重要的方面就是助催化剂的研究，并且已经得到了较好的结果。本工作选用了稀土元素为研究对象，因为稀土元素属于过渡金属，具有丰富的d电子轨道，易于和金属形成强的类化学键的吸附作用，并且能够和有机小分子形成多种配位化合物。经过初步的工作，发现了有些稀土离子如Sm3+能够在Pt表面吸附并且对甲醇电化学氧化具有较稳定的促进作用，采用循环伏安法，计时电流，交流阻抗等电化学方法进行了表征。根据实验结果，对其反应机理进行了初步的探讨。3．碳纳米管（CNTs）作为贵金属催化剂载体的研究碳纳米管（CNTs）由于其结构上的特殊性（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）而表现出典型的一维量子材料，同时具有较高的机械强度和超常的电学性能，能够为化学反应提供纳米级的反应场所，因此受到了化学界包括电化学研究人员的极大关注。已经在作为贵金属催化剂载体方面进行了一些研究，本工作的主要内容就是针对Pt/CNTs催化剂对碳纳米管的要求，对其预处理方法进行了改进，采用了如（1）中的催化剂表征方法和（2）中的相关电化学方法进行测定，发现碳纳米管作为贵金属催化剂载体时，对它的纯化处理方法的不同明显地影响了其载体性质和催化剂的活性。