摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量密度高、启动速度快、碳排放低等优点，可以广泛应用在汽车、固定电源等领域，受到广泛关注。但仍存在一些急需解决的问题严重阻碍了其商业化进程，催化剂便是其中之一。燃料电池阳极催化剂很容易受到氢气中杂质如一氧化碳(CO)的影响，造成催化剂中毒现象。而提升催化剂的抗一氧化碳中毒性能，则可以使用便于运输的液体碳氢燃料作为氢气来源，从而降低氢气的运输以及提纯成本，加快其商业化进程。在阴极氧还原侧，其缓慢的反应动力学使得Pt载量居高不下，无疑增加了PEMFC的成本，因此开发高活性、高稳定性的非贵金属氧还原(ORR)催化剂，有望降低催化剂的成本，加快PEMFC的商业化进度。基于PEMFC用催化剂面临的问题，本文分别制备了抗CO中毒的阳极氢氧化(HOR)催化剂以及阴极ORR非贵金属催化剂，并分别研究了其电化学性能。 本文首先通过自组装的方式将二维Ti3C2Tx纳米片与碳纳米管制备成Ti3C2Tx-CNT复合材料作为催化剂载体，并通过微波还原实现了Pt的负载，从而构筑了Pt/Ti3C2Tx-CNT催化剂。Ti3C2Tx-CNT复合载体可以与Pt形成较强的相互作用，从而有利于Pt的负载。在纯氢气下Pt/Ti3C2Tx-CNT相较于Pt/C催化剂展示出了更高的HOR催化活性。当通入含1000ppm一氧化碳的氢气时，Pt/Ti3C2Tx-CNT展示出更低的电化学活性面积（ECSA）衰减，且在一氧化碳溶出实验中，Pt/Ti3C2Tx-CNT催化剂展示出了更强的CO氧化性能。以Pt/Ti3C2Tx-CNT为阳极催化剂组装的燃料电池单电池在氢气-空气以及氢气-氧气的条件下分别达到0.86Wcm-2和1.6Wcm-2的峰值功率功率密度。不仅如此，当阳极侧通入一氧化碳时，基于Pt/Ti3C2Tx-CNT催化剂的膜电极衰减速度更为缓慢。在阳极通入含5ppmCO的氢气，Pt/C和Pt/Ti3C2Tx-CNT催化剂的膜电极电压分别稳定了20分钟与80分钟。这些结果充分证明了Pt/Ti3C2Tx-CNT催化剂具有更强的CO耐受性。 本文还采用了具有超高比表面积与高导电的科琴黑为载体，并引入Mo元素与Pt复合制备了阳极催化剂PtMo/KB，Mo元素的引入有效调节了Pt的电子结构，提高其催化性能。在纯氢气与含1000ppm一氧化碳的氢气中，PtMo/KB具有远高于Pt/C催化剂的ECSA,其在通入CO时表面活性下降更低，且在更低的电位下即可氧化CO。经加速老化实验，PtMo/KB也展示出更好的稳定性。在单电池测试中，基于PtMo/KB阳极催化剂的电池在氢气-氧气和氢气-空气条件下的最高功率分别达到2.3Wcm-2以及0.97Wcm-2，且在通入CO后展示了更好的稳定性。 本文还制备了二维Mo2TiC2纳米片，并以此为载体原位生长P掺杂的ZIF-67/ZIF-8，经高温烧结、金属盐浸渍以及再次烧结的方式制备了Co-N-P-C@Mo2TiC2非贵金属催化剂。在经过P元素的掺杂与二维的Mo2TiC2的引入后，Co-N-P-C@Mo2TiC2的半波电位达到0.77V。不仅如此，Mo2TiC的引入可以显著提升催化剂的稳定性。经10000圈加速老化实验，Co-N-P-C@Mo2TiC2催化剂与Co-N-P-C的半波电位分别下降了18mV与30mV。基于Co-N-P-C与Co-N-P-C@Mo2TiC2催化剂的燃料电池单电池的峰值功率密度分别达到了516mWcm-2和684mWcm-2。
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