全Pd催化剂质子交换膜燃料电池.pdf

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Vo1.34 高等 学校 化 学 学报 No.1 2013年 1月 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES 170~174 全 Pd催化剂质子交换膜燃料 电池 胡清平,潘 婧,庄 林,陆君涛 (湖北省电源材料与技术重点实验室,武汉大学化学与分子科学学院,武汉 430072) 摘要 用改良的浸渍法合成了多种不同合金度的碳载PdCu纳米粒子 ,考察其对氧还原和氢氧化反应的催化 行为,并择优应用到质子交换膜燃料电池 (PEMFC)中.研究发现,阳极采用 Pd。。cu /c催化剂,阴极采用 Pd。cuo/c催化剂组装的单电池在65℃下最大功率密度接近204mW/cm . 关键词 PdCu合金;氧还原;氢氧化;质子交换膜燃料电池 中图分类号 0646 文献标志码 A 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有工作温度低、功率密度大等优点,是未来重要的中小型电源系 统.目前PEMFC使用的催化剂主要是Pt,而Pt价格昂贵且资源稀少.Pd在地球上的资源是Pt的40 倍,价格约为Pt的1/4.对于多数燃料电池反应,纯Pd的催化活性低于Pt,但研究发现,Pd与Fe,co 等元素形成合金以后,其氧还原催化活性可大幅提高,达到与Pt相当的水平 ¨ .然而大多数Pd合 金的研究都是针对氧还原 、氢氧化 ¨ 等单电极反应,尚无阴阳极催化剂均为Pd合金的单电池 性能报道.此外,制备Pd合金的有些方法过程复杂 驯、有些制备出来的Pd催化剂含有难 以去除的 有机物质 1.、而有些制备方法不适合实际应用 . 本文用改良的浸渍法合成了Pd合金纳米粉体催化剂,并用于氢氧化反应和氧还原反应的电催化 研究,通过筛选出性能优 良的催化剂,组装成阴阳极均为 Pd合金的PEMFC,并进行了单电池的性能 测试. 1 实验部分 1.1 试剂和仪器 VulcanXC.72碳粉 (美国Carbot公司),氯化钯 (匈牙利进 口,上海科学用品采购供应站试剂加工 厂分装),三水合硝酸铜和乙醇(分析纯,国药集团化学试剂有限公司),硝酸 (分析纯,信阳市化学试 剂厂),高氯酸(优级纯,上海金鹿化工有限公司). 日本ShimadzuXRD-6000型x射线衍射仪,CuKa射线为光源 (波长A=0.154056nln,管电流20 mA,管电压40kV),测试条件:扫描角度为 15。~85。,扫描速度为4。/min,分辨率为0.02。;CHI600 型电化学分析仪 (上海辰华仪器公司);旋转圆盘电极 (PrincetoAppliedResearch). 1.2 催化剂的制备 催化剂参考文献 [25]的改良浸渍法制备.首先将PdC1固体在H气氛下于 120oC还原为单质 Pd; 按Pd:Cu原子比为9:1,8:2,7:3和6:4称取Pd单质及Cu(NO)晶体;将Pd溶于稍过量的浓HNO3 中,将 Cu(NO)溶于超纯水中;将两者超声搅拌混合均匀;在加热搅拌状态下按载量加入XC-72碳 粉,交替进行搅拌和超声处理,直至混合物成泥浆状;放置过夜,于60℃烘干,充分研磨成粉状;然 后在250qC管式炉中用H还原2h,在Ar气氛中冷却至室温.所合成的碳载催化剂中金属载量均为 40%(质量分数). 收稿 日期:2012-04-01. 基金项 目:国家 “九七三”计划项 目(批准号:2012CB215503,2012CB932800)、国家 “八六三”计划项 目(批准号:2011AA050705) 和国家 自然科学基金 (批准号21125312)资助. 联系人简介 :庄 林,男,tO~,教授,主要从事燃料电池与电催化研究.E-mail:lzhuang@whu.edu.(311 胡清平等:全Pd催化剂质子交换膜燃料电池 171 1.3 电化学测试 电化学实验的工作电极采用 “墨水”电极.其制备过程如下:称取约5mg催化剂,按5mg催化剂 加 1mL0.05%(质量分数)Nafion/~醇溶液的比例用移液管移取相应体积的Nation/乙醇溶液,滴加 到催化剂中,

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