氢氟酸处理多壁碳纳米管及其在醇类燃料电池阳极催化剂中的应用

摘要

低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池等。直接醇类燃料电池具有燃料易储存运输、体积小、重量轻等优点，在交通工具、便携式电源等方面有广阔的应用前景。然而，降低成本是实现其产业化的关键。研制新型催化剂、提高使用寿命尤其重要。在负载型催化剂中，载体起着至关重要的作用，如贵金属的分散、贵金属与过渡金属间的相互作用、金属与载体间的相互作用等都与载体有关。因此选择适宜的催化剂载体是制备粒径均匀，高分散催化剂的重要条件，也是提高燃料电池催化剂活性的重要的途径。本论文从载体入手，研究实用的具有更高催化活性及使用寿命的催化剂。 自从碳纳米管在1991年被发现以来，伴随着纳米科技的飞速发展，人们对碳纳米管各方面的认识也逐渐深入。众所周知，碳纳米管具有独特的结构特性，力学特性以及电子特性等，因此在很多领域都展示出巨大的应用前景，成为近年来研究的热点。在有关碳纳米管研究的诸多领域当中，其作为载体的研究是尤其值得关注的一个课题。而作为载体来负载催化剂纳米颗粒就需要对碳纳米管表面进行预处理，因为经过预处理可以调控其表面的各方面性质，尤其是它的表面形貌及电子学特性。 论文的第一部分叙述了尝试利用氢氟酸(HF)对多壁碳纳米管(MWNTs)进行前处理的结果。拉曼(Raman)光谱测试表明，随着处理时间的增加，MWNTs表面缺陷度逐渐增加。傅立叶变换红外光谱(FTIR)测量也证实了上述观点，而且表明在处理后的MWNTs上产生了-CF2-CF2-基团。X射线光电子能谱(XPS)测试出确实存在C-F键。透射电子显微镜(TEM)以及比表面积(BET)测试则说明处理后，MWNTs表面变得凹凸不平，孔体积增加，比表面积也增加。以HF处理后的MWNTs为载体合成Pt基催化剂(Pt/MWNTs)的工作归纳在论文的第二部分。以HF处理后的MWNTs为载体的Pt/MWNTs催化剂利用可控交替微波加热法制备。X射线衍射(xRD)及透射电子显微镜(TEM)技术表征结果表明所制备Pt/MWNTs中Pt纳米粒子高度分散在MWNTs表面，平均粒径约为2.2nm，且结晶良好。循环伏安(CV)测试结果表明，以HF处理后的MWNTs为载体的Pt/MWNTs对甲醇氧化的催化性能明显优于以未处理MWNTs为载体的催化剂和商品Pt/C催化剂。研究了影响催化甲醇氧化性能的各因素，如温度，浓度等。考察了制备的催化剂的寿命，发现以HF处理后的MWNTs为载体的Pt/MWNTs催化剂稳定性明显提高。 论文的第三部分进一步研究了以HF处理后的MWNTs为载体的Pt/MWNTs催化剂在单电池中的应用。用以HF处理后的MWNTs为载体的Pt/MWNTs催化剂制备了膜组装电极(MEA)，并用于单电池测试表征其性能。结果显示，以本工作制备的催化剂合成膜电极的性能优于使用商品催化剂的膜电极。对催化剂载量、空气的压力及流量等对单电池放电性能影响进行了研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2燃料电池概述

1.3质子交换膜燃料电池(PEMFC)

1.4直接甲醇燃料电池(DMFC)

1.5直接乙醇燃料电池(DEFC)

1.6其它醇直接燃料电池

1.7碳纳米管作燃料电池催化剂载体

1.8本论文研究意义和内容

参考文献

第二章实验设计及表征方法

2.1实验材料和化学试剂

2.2实验常用设备

2.3实验方法

参考文献

第三章氢氟酸处理多壁碳纳米管研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章氢氟酸处理多壁碳纳米管载Pt催化剂

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

参考文献

第五章膜组装电极(MEA)的制备与性能表征

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

附录：攻读硕士学位期间发表的论文及专利

致谢