碱性阴离子膜直接甲醇燃料电池阳极电催化剂

碱性阴离子膜直接甲醇燃料电池阳极电催化剂2主要内容研究背景及工作原理阳极甲醇电氧化催化剂单电池性能测试小结3质子交换膜直接甲醇燃料电池（PEM-DMFC）研究背景及工作原理挑战阳极慢动力学过程甲醇渗透催化剂中毒寿命成本………A.S.Aricò,etc.FUELCELLS,1(2001),133-161M.P.HogarthandT.R.Ralph,PlatinumMetalsRev.,46(2002),146–164优势理论能量密度高系统结构简单液体燃料,便于携带和储存环境友好………4碱性阴离子膜直接甲醇燃料电池（AEM-DMFC)研究背景及工作原理优势（相对PEM-DMFC)快动力学过程催化剂中毒倾向减小低甲醇渗透可用非贵金属材料作催化剂，降低成本…………AEM-DMFC有望突破PEM-DMFC面临的几大难题，为实现便携式电源商业化提供了契机，AEM-DMFC将是今后燃料电池的一个重要研究方向。J.R.Varcoe,R.C.T.Slade,FuelCells,5(2005),187-200G.F.McLean,etc.,InternationalJournalofHydrogenEnergy,27(2002),507–5265阳极甲醇氧化电催化剂解决方法催化剂制备方法的改进微观结构的控制（Pt及Pt基催化剂)非Pt金属催化剂的制备及应用钙钛矿型氧化物催化剂的制备及应用新型载体的应用挑战性能成本稳定性有关催化剂，催化剂层，膜电极等的制备基本借鉴于质子交换膜直接甲醇燃料电池开发新型阳极电催化剂仍是碱性阴离子膜直接甲醇燃料电池研究的重要课题6Pt及Pt基合金催化剂7Pt及Pt基合金催化剂Mass-specificsteady-statecurrentdensitiesonsupported45.7wt.%Ptcatalystinalkalineandacidsolutionswith0.5MCH3OHat295and333K.Pt/C作为甲醇氧化催化剂A.V.Tripkovic,etc.ElectrochimicaActa,47(2002),3707-3714甲醇在碱性溶液中的氧化动力学过程远大于其在酸性条件下的动力学过程较高的温度更有利于甲醇的电氧化反应。8Ru,Sn和Co对Pt/C催化剂电催化氧化甲醇的促进作用Pt及Pt基合金催化剂刘世斌等,催化学报,27(2006),787-792不同Pt/M原子比的Pt-M/C催化剂电催化叙化甲醉的活性对比不同催化剂电催化叙化甲醉的活性对比掺杂Ru可使Pt纳米金属颗粒的活性大幅度增加，Sn也有一定的促进作用，而Co的掺杂降低了Pt的电催化活性在Pt纳米粒子表面掺杂活性比较高的，能够解离水分子的其他金属元素原子（如Ru），可有效提高Pt/C活性9Electro-oxidationofmethanolonPt/TielectrodeinalkalinesolutionPt及Pt基合金催化剂H.Y.Eileen,etc.,JournalofElectroanalyticalChemistry,547(2003),17-24Cyclicvoltammogramsformethanoloxidationin0.5MNaOH,Na2CO3andNaHCO3at60oC.Methanolconcentration:2M.Hydrogendesorption甲醇在Pt/Ti电极上电催化氧化活性与溶液的pH值密切相关，碱性越强，电极表面氢氧根的覆盖度越高，越有利于甲醇的电催化氧化反应10非Pt催化剂为降低成本，非Pt催化剂受到越来越多的关注。现有非Pt金属催化剂研究主要集中在以下体系：Ni,Au,Ag,Pd,Co-W等。对以钙钛矿型氧化物为甲醇氧化电催化剂也有报道。11Electro-oxidationofmethanolonNickelfoam-basedcompositeelectrodesinalkalinesolutionJ.M.Skowronski,A.Wazny,JSolidStateElectrochem,9(2005),890–899在泡沫镍电极表面沉积Pt纳米粒子后，电极对甲醇的电催化氧化活性得到显著的提高在低电势区，电极的甲醇电催化氧化活性如下：Ni/PtNi/C/PtNi/PANI/Pt在高电势区，电极的甲醇电催化氧化活性如下：Ni/PANI/PtNi/PtNi/C/PtNiNi/C/Pt电极表现出了最好的稳定性,扫描10圈后，其活性仅下降了7.3%12Electro-oxidationofmethanolonpolycrystallinegoldelectrodesZ.Borkowska,etc.,ElectrochimicaActa,49(2004),1209–1220Qox/QredhasbeenusedtodeterminethesmallestmethanolconcentrationAsthelimitingvalueQox/Qredequalto1.1hasbeentaken.碱性环境更有利于甲醇的电催化氧化碱性越强，多晶金电极对甲醇的电催化氧化活性越高甲醇在金电极上的电催化氧化是一个表面反应，取决于表面化学吸附的OH－阴离子13Electro-oxidationofmethanolonhighlydispersedAg/MWNTelectrodeinalkalinesolutionCyclicvoltammogramsofAg/MWNTelectrodein(a)0.1MNaOHand(b)0.3MCH3OH+0.1MNaOHDaoJunGuo,HuLinLi,Carbon,43(2005),1259–1264OAgAg2(a)(b)高的甲醇电催化氧化活性高电导多壁碳纳米管的使用高分散银纳米粒子的制备高电势时表面钝化物种的去除14Electro-oxidationofmethanolonCo–Walloys经过热处理后的Co-W合金催化剂表现出更好的甲醇电催化氧化活性酸性电解质中的甲醇电催化氧化活性优于碱性电解质较好的抗腐蚀能力Co-W合金催化剂可用作甲醇电催化氧化的阳极材料T.Shobba,etc.,JournalofPowerSources,108(2002),261–264甲醇氧化机理研究JamieL.Cohen,ect.,Phys.Chem.Chem.Phys.,9(2007),49–77DetailedpathwayfortheoxidationofMeOHinacid(—)andalkaline(bluesolidline)electrolyte.甲醇吸附逐步脱氢形成含碳中间产物含氧物种Pt-(OH)ads＋CO216单电池性能测试C.Coutanceau,etc.,JournalofPowerSources,156(2006),14–19H.Y.Eileen,etc.,JournalofPowerSources,137(2004),248–256单电池功率密度较低，仅为18–20mWcm−2。对电池性能的报道较少，有关电催化剂及电极结构等的研究基本借鉴于PEM-DMFC。对适用于AEM-DMFC实际操作条件下电催化剂及电极结构还有待于进一步的研究。17小结AEM-DMFC可避开PEM-DMFC面临的阳极催化剂活性差及甲醇渗透两大难题，且非贵金属催化剂的应用可降低成本，为DMFC的发展提供了契机。文献中对催化剂的研究多见于机理及基础研究，对单电池中催化剂活性的研究较少。文献中性能较好的电池，其功率密度也仅为18–20mWcm−2。研究者基本没有对电催化剂的活性进行比较，对电池性能的报道更少，有关电催化剂的研究基本借鉴于PEM-DMFC。对适用于AEM-DMFC实际操作条件下电催化剂还有待于进一步的研究。