课题4有序化膜电极微.doc

基于贵金属替代的新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究 项目办公室 2014年 目 录 课题1：贵金属完全替代电催化剂的结构设计与催化活性及耐久性研究 2 课题2：贵金属部分替代纳米电催化剂的创制与催化活性及抗毒机理研究 6 课题3： 新型固态电解质膜的分子设计与离子传输机制研究 9 课题4：有序化膜电极微-纳结构构建与界面极化损失 10 课题5：基于新型电解质膜高能效电堆结构与一致性研究 14 课题6：10千瓦级新型燃料电池动力系统集成技术研究 15 地址：大连市中山路457号能源楼1号楼507房间 邮编：116023 电话： 0411 0411 传真：0411网站： Email: fc973@ 课题1：贵金属完全替代电催化剂的结构设计与催化活性及耐久性研究（2012CB215501） 进展一： 针对传统方法制备的氮掺杂碳催化剂导电性差和掺氮效率低的问题，开发了扁平纳米反应器选择性制备平面氮掺杂石墨烯（NG）的方法。该方法以插层蒙脱土为扁平纳米反应器（图1），聚苯胺为前驱体，通过对蒙脱土主体层板和层间客体微观结构调控，利用扁平反应器的空间限制作用，使聚苯胺沿二维方向生长形成具有二维特征的纳米聚合物，然后在扁平纳米反应器的限制下热解形成氮掺杂类石墨烯，通过调控纳米反应器的间隙宽度来调控氮掺杂类石墨烯的平面氮含量。最后通过刻蚀、酸处理等手段除去扁平纳米反应器。该催化剂在酸性环境下的催化活性与商业化Pt/C催化剂（25μgPt cm-2）的氧还原半波电位仅相差60mV（图2c）。燃料电池单电池测试表明NG具有优异的催化性能，最大功率可达320mW cm-2（图2b）。相比目前已有文献报道，我们所制备的NG催化剂在酸性环境和单电池测试中是活性最高的非金属催化剂。该结果目前已发表在Angew. Chem. Int. Ed上。（重庆大学） 图1 Schematic representation of NG@MMT synthesis. 图2 (a) Bode spectra of different catalysts obtained through the application of a sine wave with amplitude of 5.0 mV from 10 mHz to 10 kHz. (b) Steady-state ORR polarization plots (bottom), ring-current plots (middle), and H2O2-yield plots (top) measured with different catalysts in O2-saturated 0.1 M HClO4; (c) Polarization curves and corresponding power densities of MEAs fabricated using the NG@MMT cathode catalyst. 进展二： 针对传统负载型Pt/C催化剂不具备质子传导功能的缺点，通过表面修饰方法在碳纳米管表面引入苯磺酸基团，制备了一种具有质子和电子传导功能的SO3H-Ar-CNTs载体，然后将铂纳米粒子担载在SO3H-Ar-CNTs载体上，使每一个铂粒子都处于燃料电池反应的三相界面上，从而达到提高燃料电池催化剂利用率、降低铂载量的目的。研究结果表明，苯磺酸基团的引入不仅可以提高Pt催化剂在电池中的利用率（图3），而且可以有效的抑制Pt纳米粒子的迁移、团聚长大和溶解/再沉积，提高催化剂稳定性。半电池加速老化测试表明（图4），Pt/SO3H-Ar-CNTs催化剂的电化学表面积仅降低了26%，而Pt/COOH-CNTs催化剂降低了91%。该结果目前已发表在Journal of Power Sources上。（重庆大学） 图3. Performance curves of the single cells with (a) Pt/COO-CNTs and (b) Pt/SO3H-Ar-CNTs as the cathode catalysts with different Nafion loadings and Pt/C as the anode catalysts with 25 wt.% Nafion. 图4. Normalized Pt ECSA of electrodes made with Pt/COOH-CNTs and Pt/SO3-Ar-CNTs in N2-purged 0.1 M HClO4 at room temperature (0～1.2 V