论文部分内容阅读
离子交换膜电解水制氢技术由于操作简单、效率高，且利用再生资源等优点已广泛应用于军事、航天等领域。离子膜以及催化剂是其膜电极主要的组成部分，其中最常用的材料是全氟磺酸离子交换膜，贵金属铂（Pt）则是催化剂常用的金属元素。但是由于Pt是稀有金属且纯的Pt催化剂的催化性能较低，因此为了提高催化剂的催化性能，降低其使用量，本文研究并制备了不同类型的碳材料作为催化剂的载体，并对其性能进行测试。首先利用前驱体法，以含有氯铂酸的聚丙烯腈（PAN）溶液为原料，通过静电纺丝法制备PAN纳米纤维，研究了不同炭化温度（700℃、800℃、900℃）对催化剂性能的影响。通过XRD、TEM分析了碳纳米纤维负载铂（Pt/CNFs）催化剂金属Pt的粒径的大小及分散性，测试结果表明，在炭化温度为700℃时，金属Pt颗粒具有较好的分散性且粒径较小。并通过循环伏安法分析了不同炭化温度下催化剂的电化学性能，发现Pt/CNFs-800催化剂的电化学性能最高。将其与全氟磺酸树脂混合流延法刮膜形成膜电极，应用于电解水制氢技术中，测试催化剂的产氢速率及电流密度。当电压在3.6V时，载有Pt/CNFs-800催化剂的离子膜的电流密度为1700Acm-2，产氢速率1.54mL/min/cm2。为了进一步提高催化剂的活性，本文研究并制备了另一种碳材料-石墨烯（Gra）。首先通过Hummers法制备了氧化石墨（GO），超声剥离形成氧化石墨烯，并采用VC将其还原为石墨烯，研究了超声功率分别为180W、250W、320W和400W时石墨烯的性能。对比发现超声功率为250W时，石墨烯的剥离效果最好。利用石墨烯作为催化剂载体制备了Pt/Gra催化剂，通过FT-IR、XRD和TEM测试方法研究对比了负载量分别为10%、20%、30%、40%Pt/Gra催化剂的结构性能，并将其应用于电解水制氢技术中测试了Pt/Gra催化剂的电解效率。结果表明30%Pt/Gra催化剂具有较高的催化性能。通过对石墨烯的研究，发现功能化后石墨烯不仅具有石墨烯优异的特性，而且其表面含有大量的-NH2基团，可以更容易的与铂粒子结合，增加了Pt颗粒的分散性，使其粒径变小。通过对比功能化石墨烯负载铂催化剂与购买的活性炭负载铂催化剂的性能，发现制备的功能化石墨烯载铂催化剂具有更好地催化剂性能，其电解效率最高可达2.94mL/min/cm2。