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质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有无电解质流失、效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。制约PEMFC推广应用的关键因素之一是氧还原过电位较高,大大降低了电池的输出性能。本论文以降低质子交换膜燃料电池阴极的氧还原过电位为宗旨,分别研究了WO3、WO3/C、Pt/WO3和Pt/WO3/C的催化性能。
本论文中的WO3均采用钨酸盐盐酸沉淀法合成,改变反应环境的pH分别为0.5、1.0、1.5、2.0制备四组WO3,比表面积的测试结果表明当pH=1.0时得到的WO3的比表面积最大;同时改变钨酸钠溶液的浓度为0.25 mol/L、0.5 mol/L,和0.75 mol/L制备三组WO3样品,比表面积的测试结果表明当钨酸钠的浓度为0.5mol/L,时得到的WO3的比表面积最大。
在pH=1.0和钨酸钠溶液浓度为0.5 mol/L时合成WO3和WO3/C,并进行循环伏安和单电池极化测试,测试结果表明纯相的WO3的催化性能相当微弱,WO3/C的催化性能也很微弱但是单电池输出性能优于纯相的WO3。
以WO3为载体,采用浸渍还原法合成Pt/WO3催化剂。循环伏安和单电池极化测试表明Pt/WO3的催化性能比Pt/C要弱,原因是WO3的比表面积大小远小于VolcanXC-72R C,没有将Pt完全分散开,使Pt的催化活性点减少,故催化不完全。将Pt/WO3催化剂在0.5 mol/L硫酸溶液中浸蚀3d,浸蚀后的循环伏安曲线和浸蚀前的几乎重合,可以认为以WO3作载体是耐酸腐蚀的,将WO3添加到Pt/C中既可以增强催化性能也可以增强载体的抗酸腐蚀性。
合成Pt/WO3/C三元催化剂时,先采用浸渍还原法制备Pt/C催化剂,再通过盐酸沉淀法将WO3沉淀到Pt/C上制备Pt/WO3/C复合催化剂,改变WO3和C的质量比为2:1、3:1、4:1和6:1制备四组催化剂,这种制备复合催化剂的方法称为方法一。电化学表征结果表明3:1组样品的催化性能最好,并且氧还原的起始电位有了一定的提高,氧还原的还原峰有一定的宽化。
方法二为取WO3和C的质量比为3:1,以C为载体采用盐酸沉淀法制备WO3/C复合载体,调节体系的pH分别为0.5、1.0、1.5和2.0制备四组样品,然后采用浸渍还原法担载Pt到WO3/C复合载体上。电化学表征结果表明当pH=1.0时催化剂的催化性能最好。
电化学表征结果表明方法一制备的Pt/WO3/C复合催化剂的催化性能优于采用方法二制备的催化剂的催化性能,两种合成方法制备的三元复合催化剂都使氧的还原过电位有一定程度的降低,氧的还原峰有一定程度的宽化。