等离子体技术制备直接醇类燃料电池一体化电极及其电催化性能研究

Decrease the Platinum loading is one of the most important problems which hinder the development of direct alcohol fuel cells. This project combines two techniques of plasma enhanced chemical vapor deposition and plasma magnetron sputtering to develop a dry approach in low Platinum loading direct alcohol fuel cell integrated electrode synthesis. The low Platinum loading integrated electrodes are synthesized by directly growing vertically aligned carbon nanofibers on gas diffusion layer and then depositing Platinum nanoparticles on the carbon nanofibers. The microstructure and electrocatalysis properties of the integrated electrode will be characterized to reveal their internal relationship. The characterization of sputtering plasma will be diagnosed by atomic emission spectrum and probe to explore the internal relationship between plasma characterization and integrated electrode microstructure. Ultimately, the influence mechanism of plasma characterization on the electrocatalysis of integrated electrode can be discovered. The research result of this project will not only provide a new method for the synthesis of the direct alcohol fuel cell electrode, but also show an important scientific value in accelerating the development of the low temperature plasma techniques in the fields of material and energy science.

减少铂用量是直接醇类燃料电池所面临的重要问题之一。本项目将等离子体增强化学气相沉积和等离子体磁控溅射技术相结合，发展出一种干法合成低铂负载量直接醇类燃料电池一体化电极的制备方法。采用等离子体增强化学气相沉积技术，在燃料电池气体扩散层上直接垂直定向生长碳纳米纤维，然后磁控溅射沉积铂纳米颗粒，制备低铂负载量一体化电极。对碳纳米纤维及附着其上的铂纳米颗粒的微观结构进行表征，通过电化学手段表征电极的电催化性能，建立电极微观结构与电催化性能之间的内在联系；采用原子发射光谱、探针对磁控溅射过程中等离子体特性进行诊断和分析，揭示等离子体特性与电极微观结构的内在联系，探讨等离子体特性对电极电催化性能的影响机制。预期研究结果不仅为直接醇类燃料电池电极的合成提供一条崭新的途径，也可促进低温等离子体技术在材料、能源等领域的发展，有着重要的科学意义。

直接醇类燃料电池(Direct alcohol fuel cell, DAFC)是一种有可能实现商业化的燃料电池，具备燃料来源广泛、可再生、方便存储运输，能量密度高等优点。因为其较慢的阳极反应电动势导致的较高的贵金属催化剂用量，成为其商业化必须克服的难点之一。采用等离子体增强化学气相沉积技术，在燃料电池气体扩散层上直接定向生长碳纳米载体，然后磁控溅射沉积铂（Pt）纳米颗粒，制成超低贵金属负载量（Pt负载量<0.05 mg/cm2）的燃料电池电极。研究发现，通过N2和NH3原位活化处理，分别引入吡咯和吡啶氮。通过分析不同功能基团对Pt纳米颗粒粒径、电化学性能的影响，得到吡啶氮可以更好的提高催化性能和抗中毒性能，具有更好的Pt利用效率。为了进一步提高一体化电极性能，成功在碳纸表面制备出碳纳米墙（CNWs），并负载Pt制成一体化电极（Pt/CNWs）。SEM、TEM、XRD等表征手段表明，Pt纳米颗粒在碳纳米墙上均匀分布，粒径较小，为3.8 nm，Pt纳米颗粒呈面心立方结构；电化学测试数据表明，相同Pt负载量前提下， Pt/CNWs电极较Pt/VACNFs电极表现出更大的电化学活性表面积、更高的Pt利用率和更优的甲醇氧化活性；同时，CNWs具有垂直于基底的石墨烯片层结构，使其表面富含大量的缺陷位点，有利于铂纳米颗粒的固定，减少Pt的团聚，增强电极的电化学稳定性。全等离体方法合成一体化电极既有可能解决电极催化剂利用率不高，电催化活性较低等问题，还能减小Pt的负载量，降低燃料电池成本。在本研究项目资金的资助下，共在国际期刊发表SCI论文7篇，其中1区论文2篇，2区论文3篇。申请国家发明专利1项。参加国际会议并做口头报告2次，参加国内会议2次。