高電化學活性及高抗毒化能力燃料電池觸媒之白金觸媒碳載體之製備及性質之研究

Preparation and Characterization of carbon-based support for enhancing the electrochemical properties and tolerance of catalysts

王郁盛(Yu-Sheng Wang)

指導教授 ： 馬振基

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2011年)

摘要

本研究主要利用奈米碳管做為奈米插層材料置於石墨烯層間以減少石墨烯的還原後堆疊，並建立三維孔隙結構，因較疏鬆的載體結構將有助於增加碳載體與電解液接觸的表面積並增加曝露出的觸媒表面積，且可增加電解液以及反應物在載體內擴散速率，即利用GS-CNT做為觸媒載體可提升觸媒之催化活性以及抗毒化能力，使其較商業觸媒有更好的效率。
本研究第一部分利用化學方式製備單層石墨烯氧化物，藉由化學方法氧化石墨以利用及機械震盪脫層製備得石墨烯氧化物，最後藉由XPS, XRD, 以及AFM對所製備之石墨烯進行鑑定，鑑定結果顯示本研究已成功將石墨脫層，製備出單層的石墨烯氧化物。
本研究的主要目的為藉由化學合成的方法製備白金觸媒並對其進行鑑定，白金觸媒與石墨烯氧化物利用一步還原的方式可同時還原製備得Pt/GS，最後以掃描式電子顯微鏡以及穿透式電子顯微鏡觀察商用之白金觸媒,本研究製備之 Pt/GS 與 Pt/GS-CNTs，實驗結果顯示GS-CNTs比起GS擁有一個更多孔的結構，證實了碳管已成功插層至石墨烯中，碳管的插層可有效的避免石墨烯的堆疊並形成三維孔隙結構，並可提供較多的白金成核點。
藉由CV測試，可知Pt/carbon black, Pt/CNTs, Pt/GS 以及 Pt/GS-CNTs的ECSA分別為43.63 m2/g[Pt], 55.872 m2/g[Pt], 94.06 m2/g[Pt], 127.78 m2/g[Pt]，而電雙層電容分為為115.6m2/g, 148.4 m2/g, 418.9 m2/g, 685.3 m2/g，由研究結果可以觀察到商用碳黑觸媒展現最低的電化學活性表面積(ECSA)以及電雙層電容，主要原因於在碳黑結構中存在大量孔徑極小的微孔洞(micropores)，這些微孔洞限制電解液以及反應物擴散至白金表面造成白金無法完全被利用於催化反應，至於Pt/GS-CNTs則擁有最高的電雙層電容以及ECSA，此結果顯示Pt/GS-CNTs具有最大的電解液可接觸表面積以及最大的白金表面積，與SEM觀察的結果相符。
本研究另一個目的為合成擁有更好催化活性以及抗毒化能力之PtRu觸媒，藉由化學還原方式，Pt, Ru, 以及石墨烯可在一步反應下同時還原，進一步以XRD以及EDS測試在pH =4, 8, 11之還原條件下，不同pH值下觸媒的合金化程度，而由TEM以及SEM的觀察，GS-CNTs 比起GS及商用觸媒有更均勻Pt-Ru nanoclusters分佈， PtRu/carbon black, PtRu/CNTs, PtRu/GS 以及 PtRu/GS-CNTs的甲醇氧化電分別為64.02 mA/cm2*g [Pt], 82.94 mA/cm2*g [Pt], 98 mA/cm2*g [Pt]以及114 mA/cm2*g [Pt]，而If/Ib則分別為1.33, 2.32, 4.9, 6.33，相較於商用碳黑觸媒，GS-CNTs 提升了Pt–Ru 奈米粒子的甲醇氧化活性，亦將低了CO在Pt表面吸附所造成的毒化，由以上結果可知以GS-CNTs做為奈米碳載體可有效提升白金觸媒之性能。

關鍵字

PtRu ； 燃料電池 ； 觸媒 ； 碳載體 ； 石墨烯 ； 碳管

參考文獻

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