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“冶金与能源电化学”研究梯队简介
发布时间:2011-5-22    立即打印    

队负责人:王新东 教授

梯队成员  李建玲苗睿瑛

梯队简介:

为了实现可持续发展,能源和资源的高效利用及环境保护已影响到现代社会的发展。开发新型的高效、清洁能源已十分迫切。实现能量的可储存和可转换是持续发展的基本要求。燃料电池、超级电容器、锂离子电池等化学能与电能转换技术就是在这一背景下出现的新型能源。目前,实验室的主要研究方向有:直接甲醇燃料电池关键材料及系统集成研究、超级电容器关键材料与技术研究、质子交换膜电解水制氢技术及锂离子电池相关研究

    对能源转换过程不仅知其然,还要究其所以然,注重原创性工作,推动新型能源体系的实用化进程。通过电极材料制备、表面修饰、微结构和电化学性能的研究,创立高能量和高功率绿色电源新体系。

代表性研究内容与成果

1)直接甲醇燃料电池

(1催化剂的制备和性能研究

通过控制pH值、反应时间、浓度、温度,合成出了组成可以控制、可以连续变化的担载于 XC-72上的 Pt+xPtOyx可以通过控制 NaOH/SnCl2的比例和时间而连续变化,y为待定的参数)混合纳米颗粒。催化剂中活性组份的颗粒尺度达到了2nm,并且分散均匀。

本课题组采用浸渍-还原法成功地合成了金属载量和比例可控的PtRu/C催化剂和PtRu-NdOx/C催化剂。催化剂粒子的形貌近似为球形,平均粒径2nm(图1);均匀分布在载体上,无明显团聚。在相同的铂载量(0.2mgPt/cm2)时, PtRu-NdOx/C催化剂的起始电位比E-TEK公司的PtRu/C、自制的PtRu/C催化剂负移了70 mV; E-TEKPtRu/C催化剂、自制的PtRu/C催化剂、PtRu-NdOx/C催化剂的甲醇电氧化速率(峰电流密度)分别可达到40mA/cm260mA/cm2100mA/cm2PtRu-NdOx/C催化剂对甲醇氧化的电催化活性比E-TEK公司的高。我们首先以提高催化剂的活性和电极性能为目标,对Pt的电沉积进行研究。在相同的铂载量(20%Pt)时, 电沉积制备Pt/C催化剂可达到400 I / mA·mg-1 Pt

1  (a)PtRu /C(b)PtRu-NdOx/C 3:3:1)的TEM照片

电沉积制备Pt/C-Nafion复合电极:为了研究镀液中添加非离子表面活性剂(PEG)与乙酸铅(LA)基底上对电沉积制备的复合电极的性能的影响(图2)。

2  PEG-2LA-2Pt晶粒SEM照片

2)低甲醇透过率的质子交换膜研究进展

成功合成了一系列新型的质子交换复合膜,该复合膜采用聚酰亚胺(PI)和聚乙烯醇(PVA)作为基底材料,8三甲氧基硅-丙基醚136-芘基三磺酸(TSPS)作为有机质子导体。表1中显示的是复合膜与Nafion115的在室温下的质子传导率,甲醇透过系数及选择性系数。

1  复合膜与Nafion115的在室温下的质子传导率,甲醇透过系数及选择性系数

复合膜名称

质子传导率(σ)

(Scm-1)

甲醇透过系数

 (PMeOH)cm2s-1

选择性系数(φ=σ/ P)

(Scm-3s)

PI-PVA- TSPS -15

1.1×102

1.40×107

7.8×104

PI-PVA- TSPS -20

3.1×102

1.51×107

20.6×104

PI-PVA- TSPS -25

3.6×102

3.76×107

9.5×104

PI-PVA- TSPS -30

4.1×102

4.32×107

9.5×104

Nafion115

6.5×102

20.5×107

3.1×104

制备了Nafion/PI-PVA-TSPS复合膜并进行了性能测试,发现:复合膜的尺寸稳定性都优于Nafion115膜。调整Nafion/PI-PVA-TSPS复合膜的制备工艺,在尽量保持与Nafion115膜质子传导率相当的前提下,降低复合膜的甲醇透过率。以聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)为基体,将质子型离子液体(PIL)PVDF-HFP复合,相转化法制备复合电解质膜,并研究其电导率和阻醇能力。 (PIL)/PVDF-HFP复合膜30℃电导率为1×10-2S/cm,当达到80℃后,电导率为3×10-2S/cm。其高温导电性能优于商用Nafion膜,在80℃下燃料电池质子交换Nafion膜发生结构严重变形,无法使用,而PIL/PVDF-HFP复合膜不仅无变形,且维持高电导率(10-2S/cm),这一点是Nafion膜所无法比拟的。

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