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摘 要

能源和环境是全人类面临的重要课题，考虑可持续发展的要求，在电池领域（PEMFC）技术正引起能源工作者的极大关注。

本论文简单介绍了一下质子交换膜燃料电池的组成、特点及其工作原理并对其在产业化发展中所存在的问题及其前景作了概述。本文分别采用恒电位沉积法，循环伏安法以及脉冲法在碳布表面上电沉积Pt-Fe合金电催化剂，制备出具有不同形貌的Pt-Fe合金电催化剂；对制备好的合金催化剂进行电性能测试。通过分析数据结果，找到最佳制备条件，实现Pt-Fe合金电催化剂表面形貌可控。

关键词：燃料电池；电沉积方式；电催化剂；表面形貌

Morphology control of Pt-Fe alloy in PEMFC alloy catalyst

ABSTRACT

Energy and environment is the mankind faces an important subject，considering the requirements of sustainable development，the Proton Exchange Membrane Fuel Cell（PEMFC） technology is attracting the attention of energy workers.

In this thesis，a brief proton exchange membrane fuel cell composition，characteristics，and how it works and its Problems and prospects in the industrial development are outlined. In this paper we sedimentate PtFe alloy electrocatalysts on carbon cloth surface with methods of potentiostatic deposition ,cyclic voltammetry separately and pulse Electrodeposition, prepare

Pt - Fe alloy catalyst of different morphology; The electric performance of the alloy catalyst was tested. Through the analysis of data results, the optimal preparation conditions were found, and the surface morphology of the Pt-Fe alloy was controllable..

Key Words：membrane fuel cell; Electrodeposition method; electrocatalysts; PtFe alloy; Surface morphology

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 1

1.1 .1 PEMFC概述 1

1.1.2 质子交换膜燃料电池工作原理 2

1.1.3 质子交换摸燃料电池的特点 3

1.2 PEMFC电催化剂 4

1.2.1 Pt-Fe电催化剂概述 4

1.2.2 电催化剂原理 4

1.2.3电催化剂的制备方法 5

1.2.4 影响催化剂性能的结构和因素 7

1.2.5 PEMFC电催化剂的发展方向 8

1.3本论文的研究意义和内容 8

1.3.1 本论文的研究的意义 8

1.3.2 本论文研究的内容 9

第二章 实验内容 10

2.1 实验试剂及仪器 10

2.1.1 实验试剂 10

2.1.2 实验仪器 11

2.2催化剂的表征 11

2.2.1 催化剂晶体结构 11

2.2.2 催化剂形貌 12

2.3 实验步骤 14

2.3.1 20%Pt/C阴极催化剂的制备 14

2.3.2 碳布前处理 14

2.3.3电沉积制备纯Pt及PtFe合金电催化剂 15

2.3.4 膜电极热压 15

第三章 结果与讨论 16

3.1 Pt-Fe共沉积 16

3.2 XRD测试结果与讨论 18

3.3 催化剂形貌 18

3.4循环伏安法(CV)分析 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

能源短缺和环境保护是现今世界的两大问题。如何开发新型、高效、可持续、清洁的能源以替代传统化石燃料能源是日后研究工作的重点。在大量研发过程中，燃料电池以其能量转化效率高、环境友好等优势脱颖而出，成为继水力、火力、核能之后的第四代发电装置。

燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是利用氢的化学能发电的一种电化学发生装置，燃料电池已经有160多年的历史。燃料电池不是我们通常所说的“电池”，而是一种电化学发生装置，它将燃料和氧气的化学能通过非燃烧的方式转化为电能^[1]，因而具有较高的能量转化效率、较低的污染排放。燃料电池几乎适用于所有需用电力的场合^[2]。燃料电池是一种不经过燃烧的低污染、高效率的能源转换装置，是一种可以利用氢这种新型能源作为燃料的清洁发电装置，已然成为未来第四代主要发电技术之一，且随着地下煤气化制氢以及金属合金储氢等技术的日趋成熟，燃料电池必将大规模进入社会。因此，燃料电池项目成为我国“新能源和可再生能源发展纲要”中优先支持的项目。

按照电解质溶液的不同可以将燃料电池分为以下几类^[4-5]：磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池^[6-7]。其中，质子交换膜燃料电池发电过程为氢氧的电化学反应，不受卡诺循环的限制，能量转换效率极高。燃料燃烧产物只有水，安全环保；电池工作时没有噪音；安装和组建十分快捷。因此，质子交换膜燃料电池是一种高效的、环境友好的绿色能源，受到全球各国政府、研究机构的广泛关注与研究，在能源领域具有非常广阔的应用前景。

1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

1.1 .1 PEMFC概述

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可将化学能转化为电能的高效能源转换装置，以来源广泛的氢气、氧气作为燃料，具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点, 最有希望成为电动汽车的动力源。近十五年内得到了广泛的研究和发展，使这项技术接近商业化生产。对PEMFC的研究已成为目前电化学和能源科学领域内的一个热点。氧电极反应的可逆性很小, 即使在Pt、Pd、Ag这样一些催化活性较高的催化剂表面, 氧还原反应的交换电流密度的数值也不高。若用氢电极反应的标准来衡量, 只能算作是高超电势金属。在所有的纯金属中, 对氧还原反应的催化活性最高, 目前一般用作为氧还原反应的电催化剂。但Pt价格昂贵, 属稀有金属。因此, 减少Pt的用量提高Pt的利用率一直是PEMFC的研究热点之一。^[8]

目前对于新型氧还原催化剂的研究主要集中于铂合金催化剂和非贵金属催化剂。^[9]考虑到铂资源的稀缺性, 非贵金属催化剂将会是燃料电池催化材料的最终发展方向, 但目前此类催化剂的研究尚处于起步阶段, 在制备工艺、成本、稳定性及催化性能等方面还有待研究。在的开发过程中已证实, 采用与过渡金属合金作为电催化剂, 氧还原的交换电流密度。有显著的提高。但PAFC的工作温度较高（200℃左右)以及磷酸的腐蚀性, 使合金催化剂中的过渡金属也随电池运行逐渐溶解, 活性下降。工作温度低于100℃, 并采用固体电解质, 腐蚀性很弱采用一电催化剂能提高氧电化还原的活性, 而且合金催化剂的寿命也相应延长, 在过去的多年里, 铂系合金催化的研究引起人们的广泛关注。研究铂合金催化剂对于降低PEMFC的成本, 加速其商业化进程具有重要的现实意义。

1.1.2 质子交换膜燃料电池工作原理

图1-1 质子交换膜燃料电池示意图^[10]

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