探索碳纳米纤维基复合材料在直接甲醇燃料电池中的应用

探索碳纳米纤维基复合材料在直接甲醇燃料电池中的应用

【摘要】直接甲醇燃料电池(DMFC)体现了燃料电池技术的诸多优点,在固定及移动电源应用领域受到了广泛关注。电极催化剂的活性和稳定性是推动DMFC商业化的重要因素,催化剂的性能与载体材料的性能密切相关。碳纳米纤维作为比表面积大、物理化学性质稳定、易于与其他物质复合的碳材料,作为燃料电池催化剂的载体具有很大的应用潜力。本文利用简便高效的静电纺丝技术、聚丙烯腈(PAN)与氧化煤、氧化石墨烯(GO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等制备了一系列碳纳米纤维基复合材料,并将Pt负载于上述碳材料上制备了负载型Pt电催化剂,并研究了制备的催化剂对甲醇氧化及氧还原反应的催化性能。 主要研究结果如下：1.以PAN、PAN+新疆大黄山褐煤、PAN+醋酸钴、PAN+新疆大黄山褐煤+醋酸钴为原料，采用静电纺丝法制备了碳纤维（CF）、煤基碳纤维（coal-CF）、含钴碳纤维（Co-CF）和含钴煤基碳纤维（Co-coal-CF）。将Pt负载于以上碳材料上，制备了系列Pt电催化剂：Pt/CF、Pt/coal-CF、Pt/Co-CF和Pt/Co-coal-CF。物理化学表征和电化学性能测试结果表明，在Co-coal-CF的协同作用下，Pt纳米颗粒在Co-coal-CF碳载体材料上均匀、良好的分散性。 所制备的Pt/Co-coal-CF电极催化剂表现出较高的抗CO中毒性能、良好的甲醇电氧化活性（甲醇氧化峰电流值达到92.7A?g-1）和稳定性。

2.采用静电纺丝法和化学还原+静电纺丝法制备了两种不同结构的石墨烯/碳纤维复合材料：石墨烯嵌入碳纤维（RGO-CF）和石墨烯插层碳纤维（RGO/CF）。将上述复合材料负载Pt，制备出Pt/RGO-CF和Pt/RGO/CF电极催化剂。物理化学表征和电化学测试结果表明，RGO/CF复合材料表面丰富的石墨态氮、氧功能基团、较小的电荷转移电阻以及RGO/CF与Pt之间较强的相互作用使得Pt/RGO/CF在甲醇电氧化和氧还原反应中表现出优异的催化性能，其对甲醇电氧化/氧还原反应的氧还原催化活性和催化稳定性甚至优于商业Pt/C催化剂。 3.以不同配比的PAN和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为原料，采用静电纺丝技术制备了一系列复合基碳纤维材料（PCFx，x代表PVP与PAN的质量比），并通过负载Pt纳米粒子得到一系列Pt/PCFx催化剂。初步研究结果表明，将一定量的PVP与PAN复合制备的PCF材料可以有效提高其上负载的Pt电催化剂的甲醇电催化氧化活性和稳定性。