纳米材料在化学电源中的应用2.ppt

纳米科学导论 聂明 西南大学材料科学与工程学院 1、绪论 1.1 纳米材料及技术发展 1.2 基本概念 2、纳米结构基本单元及基本理论 2.1基本结构单元 团簇，纳米微粒 ，人造原子 ，纳米管 2.2纳米材料分类 2.3基本理论 小尺寸效应 量子尺寸效应 电子能级的不连续性 表面效应 宏观量子隧道效应 库仑堵塞与量子隧穿 介电限域效应 3、纳米结构性能 3.1纳米结构形貌和微结构特性 3.2纳米结构力学特性 3.3纳米结构热学特性 3.4纳米结构光学特性 3.5纳米结构磁学特性 3.6纳米结构电学和输运特性 3.7纳米结构化学特性 3.8纳米结构生物特性 （DNA） 4、纳米材料的制造及发展方向 4.1纳米材料概述 　 4.2纳米材料的制备方法与性能 　 4.3纳米材料的应用 5、纳米材料在化学电源中的应用 阳极反应机理（电子转移步骤）以Pt/Ru为催化剂 (1)?? 直接4电子过程 ? O2 + 4 H+ + 4 e ? 2H2O ? ?(2)?? 分步4电子过程 ? O2 + 2 H+ + 2 e ? H2O2 ? H2O2 + 2 H+ + 2 e ? 2 H2O ________________________ ? O2 + 4 H+ + 4 e ? 2H2O 氧还原反应机理（电荷转移步骤） 催化剂价格 (50%Pt/C) Johnson Matthey: US$60-100/g E-Tek: US$40-60/g 自制US$20 质子导电率 0.1 S/cm。 薄膜成型能力及机械强度高。 价廉。 在强酸和燃料电池工作条件下稳定。 低气体渗透。 低甲醇渗透 (DMFC)。 无污染和易回收利用。 2 离子导电膜 要求： 类型 含C-H键的膜的缺点 1. 低的质子传导力以致无法达到高的能量输出; 2. 由于PEMFC的高电位，C-H键的氧化在膜中进行; 3. 由于阴极的少量渗透会在阳极形成OH。 含C-F键的膜的优点 1. 有和PTFE类似的结构。氟原子有很高的电子亲和性，它和SO3H基团接在同一个C上，使磺酸具有过酸性。因此这种膜的导通性至少是聚苯乙烯磺酸膜的2倍。 2. C-F基团在阳极和阴极电位下都十分稳定。 3. 用Nafion至少可以将PEMFC的寿命提高四个数量级。 PTFE 和 Nafion的结构 甲醇燃料电池用膜的研究 全氟磺酸膜 (Nafion) 聚苯并咪唑 (PBI) 聚丙烯腈 磺化聚苯乙烯 (SPS) 聚羟基亚苯 (POP) 100oC (120-150°C) Membrane 0.32 W/cm2 at 0.8V (400mA/cm2) Membrane ASR 0.1??cm2 1% Cross-over 3 atm Pressure Survivability -40°C (Freeze-Thaw) Low Pt Loading (1g/peak kW) 5,000h Life US$10/kW in High Volume Manufacturing (500,000 stacks/Year) 质子交换膜目标(DOE) 预计价格 US$165-195/m2 (基于10,000m2) US$85-120/m2 (基于100,000m2)。 目前DuPont 2mil Nafion膜的价格 US$1000/m2 (基于小于1m2) US$450/m2 (基于大于5m2) 在燃料电池内，集流板具有以下功能和特点: ①要求集流板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料。 ②有收集电流作用，必须采用电的良导体。 ③已开发成功的几种燃料电池，其电解质均为酸或碱，集流板材料必须能在其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。 ④集流板应加工或置有使反应气体均匀分布的通道(即所谓的流场)，以确保反应气在整个电极各处均匀分布。 ⑤集流板应是热的良导