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由于直接甲醇燃料电池(DMFC)具有燃料运输安全、来源丰富、价格低廉、能效高等优点,受到了广泛的关注,有着广阔的应用前景。然而,DMFC的商业化必须要解决这样几个关键问题:提高电池的性能稳定性、耐久性;提高甲醇的电氧化活性。而DMFC的性能与电催化剂的种类、分散性以及颗粒的大小相关,与催化剂载体的选择也不无关系。碳纳米管有着优异的电性能、高比表面积等特点,作为催化剂载体的应用已日渐受到重视。
本文在比较铂基电催化剂多种制备方法的基础上,采用超声纯化处理后的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为载体,用多元醇还原法研究了直接甲醇燃料电池(DMFC)的高分散碳载铂基电催化剂的制备技术和相关的基础问题,主要工作有:MWCNTs的不同处理方法;不同二元醇作溶剂(或还原剂和保护剂)制备Pt/MWCNTs及PtRu/MWCNTs;添加不同稳定剂制备Pt/MWCNTs及PtRu/MWCNTs;探究了一种新的方法和合适的Pt-Ru原子配比制备铂基电催化剂。DMFC单池测试显示该PtRu/MWCNTs合金催化剂的电催化活性高于Pt/MWCNTs,这与其较大的电化学比表面积和高合金化程度有关。此外,还考察了各种不同制备参数对催化剂金属粒子分散度及形貌的影响。应用了X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜镜(SEM)等表征手段来检测催化剂的结构形貌和物相组成等;应用电化学循环伏安法(CV),在环境温度和除去溶解氧的条件下,在0.5mol/LH2SO4+1mol/LCH3OH的溶液中测试Pt/MWCNTs和PtRu/MWCNTs电催化剂对甲醇的电催化氧化活性。实验结果表明:负载在催化剂载体(MWCNTs)表面的PtRu粒子高度分散,平均粒径约为3~4nm。DMFC单池测试显示所制得的电催化剂有着较高的催化性能。
初步探索了制备SiO2包裹的PtRu/MWCNTs(SiO2/PtRu/MWCNTS),并在400℃和600℃对其进行热处理。在用氢氟酸溶解表层包裹的SiO2后,用于DMFC阳极催化剂进行电催化氧化性能测试,发现400℃热处理后的SiO2/PtRu/MWCNTs,在溶解SiO2后,比未进行处理的PtRu/MWCNTs有更高的电催化活性和更好的抗CO中毒能力。