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液氮冷冻升华还原法制备燃料电池催化剂 理学院应用化学系：付位刚 指导教师：尹鸽平 摘 要：本文对冷冻干燥法制备Pt/C催化剂展开研究。主要从碳载体的不同处理方法和分散剂不同配比对催化剂性能的影响这两个方面进行了探索，并与热干燥法制备的催化剂的性能进行了比较。结果表明，以氧化处理的碳为载体，用300mL超纯水洗涤，冻干法制备的催化剂比热干法制备的催化活性较高；本文还用热干燥法制备了Pt/CNTs催化剂，并与Pt/C催化剂性能进行了比较。结果表明，Pt/CNTs性能好于Pt/C催化剂。 关键词：燃料电池；冷冻干燥；电催化；Pt/C催化剂；Pt/CNTs催化剂 Abstract: The freeze-drying technology and its application in preparing Pt/C catalysts were investigated. The emphases were focused on the influence of the pretreatment of carbon and the amount of dispersant on catalysts. The Pt/C catalysts prepared by freeze-drying and heat-drying were compared. While using carbon pretreated by oxidation and washing with 300mL super-purified water, Pt/C prepared by freeze-drying showed better electrochemical performance than those made by heat-drying; Pt/CNTs were also prepared by heat-drying method. Results showed that Pt/CNTs showed better electrochemical performance than Pt/C, both of which were prepared by heat-drying. Keywords: Fuel cell; Freeze-drying; Electrocatalyst; Pt/C electrocatalyst; Pt/CNTs electrocatalyst 1 引 言 燃料电池所需要的催化剂为Pt等贵金属由于Pt价格昂贵，而目前燃料电池催化剂所需Pt的用量大。所以，减少Pt的用量、提高Pt的利用率成为人们关注的焦点。本课题通过液氮冷冻干燥法制备Pt/C催化剂。由于在催化剂制备过程中，通过液氮将炭黑与前驱体的混合液固化，固化物中前驱体在C上分布非常均匀。在真空冷冻干燥过程中，固化物不经过液态而通过升华法将其中的水份直接去处得冻干物然后用H2还原制得Pt/C催化剂Pt在炭上的分布如同其在液态时那么均匀从而减小催化剂颗粒粒径、降低Pt量，提高催化剂比活性。课题来源：本课题受国家自然科学基金的支持。Pt/C催化剂性能的因素有：粒子大小的影响、碳载体的影响、前驱体对Pt/C催化剂性能的影响、催化剂的表面形貌等，以及催化剂的冷冻干燥过程有：易氧化成分不致氧化变质、热敏成分较完整保留、固体骨架基本保持不变、Pt盐分散均匀等的特点，所以重点从以下几方面展开探索与研究： (1) 用不同的处理方法对碳载体进行预处理，并研究不同处理方法对碳载体处理的效果。 (2) 实现液氮冷冻-升华干燥法制备Pt/C燃料电池催化剂，并对冻干法制备催化剂工艺进行优化。 (3) 热干燥法制备Pt/C催化剂，并与冻干法制备的Pt/C催化剂的性能进行比较。考察不同制备工艺对催化剂性能的影响，并对其机理进行研究分析。 (4) 在此基础上制备了Pt/CNTs催化剂，将其性能与Pt/C催化剂的性能进行比较，考察载体对催化剂性能的影响，分析研究载体对催化剂性能影响的机理。 本课题工作流程拓扑图如图1所示。 技术关键：通过真空冷冻干燥技术制备Pt/C催化剂，用电化学测量手段研究真空冷冻干燥法制备的Pt/C催化剂的电化学性能，探讨其影响的机理，最终判断真空冷冻干燥法制备的Pt/C催化剂的电化学性能的优劣。 图1 论文工作拓扑图 3 试 验 3.1 碳载体的预处理 由于载体对催化剂的性能有非常大的影响，所以在确定催化剂制备方法前，要确定载体的前处理方法。本试验采用水蒸气预处理法和氧化预处理法对碳载体进行预处理，并通过充分震荡沉积的方法，比较不同处理方法得到的碳载体在异丙醇与超纯水溶液中的分散性。 3.2 Pt/C及Pt/CNTs燃料电池催化剂的制备 冷冻干燥法——称取一定量的