纳米碳管作为质子交换膜燃料电池催化剂载体的研究

摘要

纳米碳管(Carbon Nanotubes,CNTs)自发现以来,由于其独特的结构,优良的性能,对其所进行的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。CNTs具有准一维管状结构,巨大的长径比和比表面积,很高的力学强度,其强度为钢的100倍。同时,基于强C-C化合键的作用,CNTs具有优良的导电性能,能够填充和吸附颗粒,具有高的稳定性。由于它的这些性质,研究CNTs作为催化剂负载在燃料电池中的应用具有很重要的意义。
　　 本文的第一部分为绪论,首先介绍了CNTs的发现历史、结构、制备方法,以及其力学、电磁、场致发射和电化学等性能及其应用。然后研究了质子交换膜燃料电池(proton-exchange membrane fuel cell,PEMFC)的工作原理,从理论上说明了催化剂层的重要作用,并对PEMFC的应用现状及未来展望进行了讨论。
　　 第二部分详细的介绍了本课题组燃料电池材料的制备过程,对燃料电池的气体扩散层进行了疏水处理,使用改进后的电弧放电法制备的单壁纳米碳管(Single-Walled Carbon Nanotub,SWCNTs)直接生长在泡沫镍基底上,CVD制备的多壁纳米碳管(Muiti-Walled CarbonNanotubes,MWCNTs)使用丝网印刷的方法附着于泡沫镍基底上,将亲水处理后的质子交换膜与催化剂层热压制成膜电极组合(MEA)。
　　 第三部分为所制备材料的表征,对SWCNTs膜和MWCNTs进行了TEM、拉曼及热重分析,对其结构、纯度和表面特征有了更深入的了解,并将制成的PEM FC的性能进行了测试,绘出E-t曲线,最后分析了本课题组研究中存在的问题,并对未来的工作方向进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

§1.1纳米碳管的发现及结构特征

§1.1.1纳米碳管的发现

§1.1.2纳米碳管的结构特征

§1.1.3纳米碳管的分类

§1.2纳米碳管的制备

§1.2.1电弧放电法

§1.2.2化学气相沉积法

§1.2.3激光蒸发法

§1.3纳米碳管的性质及应用

§1.3.1纳米碳管的力学性能及应用

§1.3.2纳米碳管的电磁性能及应用

§1.3.3纳米碳管的储氢性能

§1.3.4纳米碳管的场致发射性能及应用

§1.3.5纳米碳管的电化学性能及应用

§1.4纳米碳管在质子交换膜燃料电池中的应用

§1.4.1质子交换膜燃料电池的原理

§1.4.2质子交换膜燃料电池的电催化反应

§1.4.3燃料电池的应用现状及展望

§1.5参考文献

第2章 燃料电池样品的制备

§2.1引言

§2.2气体扩散层和电解质层的处理

§2.2.1气体扩散层的疏水处理

§2.2.2电解质层的亲水处理

§2.3电催化剂层的制备

§2.3.1催化剂载体的制备

§2.3.2电催化剂的制备

§2.4参考文献

第3章 燃料电池样品的表征及结果讨论

§3.1纳米碳管载体的表征

§3.1.1单壁纳米碳管的表征

§3.1.2多壁纳米碳管的表征

§3.2催化剂SEM表面形貌表征

§3.2.1泡沫镍表面直接沉积Pd

§3.2.2纳米碳管表面沉积Pd

§3.3燃料电池样品的性能测试

§3.4 今后工作的展望

§3.5参考文献

硕士期间成果

致谢