燃料电池催化材料的进展

燃料电池的研究1应用物理学-2014051413-周泽鑫燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能清洁高效地直接转化为电能的发电装置。燃料电池的种类有碱性氢氧燃料电池，质子交换膜型燃料电池，碳酸盐型磷酸盐型燃料电池，固体氧化物燃料电池等。燃料电池具有清洁高效等特点，但传统的燃料电池的效率远远不够使燃料电池广泛使用。本文主要介绍近几年对提高燃料电池效率的方法。质子交换膜电池PEMFC—种以离子交换膜为电解质，以Pt/C为氧化剂，以氢气等作为燃料的高效清洁的燃料电池。单PEMFC的电极材料Pt较为昂贵难以普及，因此需要寻求更加廉价的材料作为电极催化剂。主要是对Pt进行其他材料的掺杂和寻找非Pt材料。质子交换膜以Pt为催化材料，而Pt表面极易吸收Co,使电催化剂Pt中毒失活，从而导致电池效率大幅下降，在对新型电催化材料的研究中，需要使催化材料具有抗Co中毒特性。1.Pt的掺杂实验表明，对Pt进行非pt材料的掺杂在一定程度上可以提高燃料电池的效率。Fe掺杂的实验表明，Fe的加入能提高催化剂的电催化性能，Pt-Fe催化剂比一般Pt催化剂具有更小的晶格参数，Pt-Fe的形态为合金不排除表明存在部分氧化态【1】。将超级电容器材料聚苯胺引入电极催化剂中，聚苯胺在催化剂中具有在瞬间电流负载时缓冲电池电压和电池大电流放电时平稳电压的作用。实验中，通过掺杂10%聚苯胺的催化剂与未掺杂的Pt催化剂进行对比，发现掺杂后的还原电流明显高于未掺杂的Pt催化材料。当掺杂量达到30%时，催化效率开始下降，说明聚苯胺掺杂量过高是会影响催化效率【2】。催化效率的下降可能为当聚苯胺的掺杂量过高时，聚苯胺会将催化材料Pt覆盖，影响对气体燃料的吸附。另外，聚苯胺对于减缓催化剂载体的腐蚀有积极作用。在Mo的掺1第7期燃料电池催化材料的进展杂实验中，对pt/c催化剂进行不同Mo含量的掺杂，在硫酸乙醇溶液中，Pt2Mo/C中的活性组分颗粒稍大于其他催化剂。在本研究的不同Mo掺杂量的2催化剂中,Pt2Mo/c催化剂具有最高的乙醇氧化催化活性,同时具有最稳定的工作性能【3】。2•非Pt材料催化剂Pt的掺杂材料具有高效的特性，但主要的催化材料还是Pt这一贵重金属，因此研发出不含Pt的催化材料是一个解决燃料电池不能推广这一难题的途径。有研究表明，利用三联吡啶(TPY)为配体合成出Fe-TPY复合物，之后分别在600、700、800和900°C的温度下热处理制备出一种新的ORRFe-N/C催化剂,同时对Fe/TPY的摩尔比和Fe载量进行了优化。结果表明，热处理温度为800C,Fe含量为5%、Fe/TPY的摩尔比为1：5时Fe-N/C催化剂的氧还原催化活性最高⑷。非Pt材料的研究还有，碳化钨材料具有强度高，抗氧化性强，导电导热能力强，优良的附着性、高弹性、具有化学惰性等特点，是许多工业材料的首选。在对Pt/C催化剂和AuPd-WC/C复合电催化剂的比较试验【6】中可得知，当金、钯和碳化钨的质量比例为1：2：1时，复合催化剂显示出更好的性能，AuPd-WC/C复合电催化剂对于氧化乙醇催化活性的大幅度提高要归功于通过现场还原法制备催化剂时金和钯的均匀分布；同时碳化钨也大大改进了AuPd-WC/C复合电催化剂的催化效果。结果表明，将碳化钨纳米晶体加入到金和钯中，在碱性溶液中氧化乙醇的性能得到明显的改善。3.新型碳材料近年来，一直炒的沸沸扬扬的新型碳材料也可作为电极催化剂。碳纳米管自从被发现以来，其独特的结构造成的独特的物理和化学特性被科学家所关注。碳纳米管在科研等许多领域都有广泛的应用。由于碳纳米管并不能直接作为电极催化材料，因此，碳纳米管只是作为一个载体，需要在碳纳米管上沉积Pt作为催化材料。碳纳米管作为催化材料的载体可以大幅增加催化材料的表面积，以大幅度加快催化反应速率，降低Pt的使用量。在碳纳米管沉积Pt的方法有许多，其中有用浸渍还原法制备Pt-CNTS催化剂。将活化处理过的碳纳米管用乙醇润湿，加入HPtCl溶液，与碳纳米管充分26混合.用碳酸钠调pH值到7・8，在加入硼氢化钠溶液，反应后，自然冷却到室温，超声波震荡2h。最后将混合液过滤，清洗，于80°C下真空干燥，即制得Pt-CNTS催化剂。以聚多巴胺功能化的碳纳米管作为电极材料实验【6】中表明该复合物对氧还原具有良好的催化性能•另外，通过调节Pt与Pd的比例，研究发现单独的Pd对氧的还原效果不好，比例为1：3的Pt—Pd合金纳米材料效果最好，说明Pt与Pd对氧还原有协同效应。对氮功能化的碳纳米管研究表明【7】，N掺入石墨结构后使得碳纳米管具备了一定的碱性，因而其表面活性增加。N掺杂碳纳米管可稳定的负载金属纳米颗粒，从而实现较高的金属分散度和较窄的粒径分布，其负载的Pd，Au，Pt或Ag等技术纳米颗粒具有较大的表面积体积比，在氧还原、醇氧化和肼氧化等重要反应中具有良好的催化性能。实验中，氮功能化的碳纳米管具有更高的催化活性和稳定性，对Pt的利用率也得到了提高（高达97%），节省了Pt的使用量。在燃料电池的研究中，燃料电池的电极催化剂远远不止几种，而且燃料电池真正普及化遇到的困难也不是只在催化剂材料，如气体燃料的储存等都是未能解决的问题。燃料电池具有清洁高效的特点，要真正发挥其优点需要对燃料电池不断优化升级。［1］张萍，潘牧，Fe掺杂对质子交换膜燃料电池Pt、C催化剂性能的影响J］,中国有色金属学报，2004,14（7）：1156-1161［2］甘全全，徐洪峰，聚苯胺修饰Pt催化剂对质子交换膜燃料电池动态响应的促进作用［J］,催化学报，2007,28（10）:900-904［3］李琳,原鲜霞,夏小芸，Mo掺杂对Pt/C催化剂乙醇氧化催化性能的影响，无机材料学报［J］，2014,29（10）：1044-1048［4］王家堂，质子交换膜燃料电池新型与有序介孔氧还原非Pt催化剂的制备研究武汉理工大学硕士学位论文，2013［5］聂明，WC增强燃料电池贵金属催化剂催化性能的研究，重庆大学博士学位论文，200