發(fā)布時(shí)間：2020-05-08 08:27

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)具有零排放、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn),是化石燃料和傳統(tǒng)電池強(qiáng)有力的替代品。然而,事實(shí)上PEMFCs仍然無法擴(kuò)大規(guī)模實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,高成本是PEMFCs發(fā)展的最大阻礙。隨著陰極催化劑研究取得巨大進(jìn)展,陽極催化劑研究停滯不前,陽極催化劑所占成本比例逐漸升高,陽極催化劑的高成本將成為燃料電池發(fā)展的主要阻礙。因此,亟需開發(fā)制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、催化活性和穩(wěn)定性高的陽極催化劑,以滿足PEMFCs的大規(guī)模商用要求。碳化鉬具有Pt類似的催化特性,與少量Pt復(fù)合成Pt-Mo_2C復(fù)合催化劑時(shí),不僅能大大降低Pt的使用量,還能保持高的催化活性和穩(wěn)定性。本論文介紹了燃料電池陽極催化劑的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,主要研究了能夠大幅降低Pt使用量的同時(shí),保持高的催化活性和穩(wěn)定性的碳化鉬基PEMFCs氫氧化陽極催化劑的穩(wěn)定可行的合成方法,并且分別探究了不同碳化鉬基陽極催化劑氫氧化活性和穩(wěn)定性提高的原因及機(jī)理。此外,還為高性能超低鉑載量陽極催化劑的精確設(shè)計(jì)與合成提供了一種全新的思路。首先,探索了不同的氮摻雜Mo2C/C(Mo_2C/NC)合成方法,確定了簡(jiǎn)便可行的合成路徑,實(shí)現(xiàn)了BP2000碳黑載體的氮摻雜,得到了β-Mo_2C的穩(wěn)定純相,合成了Mo_2C/NC和4%Pt-氮摻雜Mo_2C/C(Pt-Mo_2C/NC)氫氧化陽極催化劑,并分別研究了其氫氧化反應(yīng)催化活性和穩(wěn)定性。4%Pt-Mo_2C/NC陽極催化劑的Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.42%,大幅降低Pt負(fù)載量的同時(shí),得到了與商業(yè)化JM 20%Pt/C催化劑相近的氫氧化催化活性,1000圈CV掃描以后,LSV曲線的電流密度衰減較小,表現(xiàn)出良好的催化穩(wěn)定性和耐久性,同時(shí),其50cm~2 MEA組裝的單電池開路電壓為0.956V,陽極Pt載量為0.012mg/cm~2,最大功率密度為700mW/cm~2。其次,探索了不同的氮摻雜Mo_2C/CNT(Mo2C/CNT)合成方法,確定了簡(jiǎn)便可行的合成路徑,實(shí)現(xiàn)了碳納米管載體的氮摻雜,得到了β-Mo_2C的穩(wěn)定純相,合成了Mo2C/CNT和4%Pt-氮摻雜Mo2C/CNT(Pt-Mo_2C/NCNT)氫氧化陽極催化劑,并分別研究了其氫氧化反應(yīng)催化活性和穩(wěn)定性。4%Pt-Mo_2C/NCNT陽極催化劑的Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.26%,大幅降低Pt負(fù)載量的同時(shí),得到了與商業(yè)化JM 20%Pt/C催化劑相近的氫氧化催化活性,1000圈CV掃描以后,LSV曲線的電流密度衰減極小,表現(xiàn)出十分優(yōu)異的催化穩(wěn)定性和耐久性,同時(shí),其50cm~2 MEA組裝的單電池開路電壓為0.956V,陽極Pt載量為0.012mg/cm~2,最大功率密度為792mW/cm~2。最后,經(jīng)過催化劑形貌和結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì),通過簡(jiǎn)單的攪拌、程序升溫還原法首次合成了氮摻雜HCS@Mo_2C(NHCS@Mo_2C)和氮摻雜HCS@Mo_2C-4%Pt(NHCS@Mo_2C-4%Pt)核殼結(jié)構(gòu)氫氧化陽極催化劑,并分別研究了其氫氧化反應(yīng)催化活性和穩(wěn)定性。原位氮摻雜的空心碳球(NHCS)分布均勻、無團(tuán)聚,粒徑在200nm左右;粒徑2-5nm左右的Mo_2C、Pt顆粒均勻負(fù)載在空心碳球上。NHCS@Mo_2C-4%Pt核殼結(jié)構(gòu)氫氧化陽極催化劑的比表面積450m2/g,Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.80%,大幅降低Pt負(fù)載量的同時(shí),展現(xiàn)出比商業(yè)化JM 20%Pt/C催化劑更好的氫氧化催化活性,1000圈CV掃描以后,LSV曲線的電流密度衰減極小,表現(xiàn)出十分優(yōu)異的催化穩(wěn)定性和耐久性,同時(shí),其50cm~2 MEA組裝的單電池開路電壓為0.955V,陽極Pt載量為0.012mg/cm~2(DOE陽極Pt載量的1/4),最大功率密度為877mW/cm~2,其性能可以媲美DOE報(bào)道的高Pt載量陽極催化劑MEA性能。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文展路線。截止到目前，我國已經(jīng)在氫能與燃料電池汽車的研究與開發(fā)上取得巨展，更加接近氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)，，但是同時(shí)，燃料電池關(guān)鍵材核心部件的開發(fā)仍需進(jìn)一步取得突破。.2 燃料電池概述.2.1 燃料電池的簡(jiǎn)介燃料電池是一種可以將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為直流電的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置料電池的基本工作方式如圖 1-1 所示[2]，通過外部持續(xù)的燃料和氧氣/空氣的，燃料和氧氣/空氣在燃料電池中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，不斷地向外輸出穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)力，與此同時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)過程中還會(huì)產(chǎn)生水和少量廢熱。

圖 1-2 燃料電池發(fā)展歷史時(shí)間軸[2]圖 1-3 William Grove 燃料電池示意圖[7]業(yè)應(yīng)用嘗試階段 1932 年英國工程師 Francis T. Bac的燃料電池裝置，并于 1952 年完成了世界上第一個(gè)實(shí)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM911.4;O643.36

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本文編號(hào)：2654404