不同组成Pt-Co合金催化剂的电催化还原H2O2性能研究(2)
3.2.2 碳纳米管负载不同组成铂钴合金催化剂的性能分析24
3.3 碳粉负载催化剂与碳纳米管负载催化剂的性能比较27
3.3.1 Pt20%/C与Pt20%/CNTs催化剂的性能比较27
3.3.2 Pt10%Co15%/C与Pt10%Co15%/CNTs催化剂的性能比较30
4 结论33
致谢35
参考文献36
1 绪论
1.1 引言
燃料电池是一种直接将化学能转化成电能的装置，由于其不受卡诺循环的限制，因此具有更高的能量转换效率。传统的在陆地上使用的燃料电池通常以空气中的氧气为氧化剂。在无空气环境下(水下和太空)工作的燃料电池，则常采用液态氧或压缩氧气，这两种氧的携带存储方式，一方面增加了电池系统的复杂性，另一方面存在着安全隐患。以H2O2为氧化剂具有一定的优势，特别是对于小型燃料电池。这是因为标准状态下，H2O2为液体，不仅易于携带存储，还可以任意浓度方便地加入到电池中，从而可简化系统构造并能提高电池的安全性。近年来，H2O2已被研究用于作为水下电源的金属半燃料电池和直接硼氢化物燃料电池的阴极氧化剂。H2O2作为燃料电池阴极氧化剂时，其电还原反应速率将直接影响整个电池的性能，因此，对其电还原催化剂的研究已经开始引起人们的关注。目前研究的催化剂主要集中在Pt、Pd、Ag、Au等贵金属及其合金。[1]
目前，商品化的燃料电池中H2O2电还原阴极催化剂仍然以贵金属类为主，这主要是因为贵金属类催化剂的催化性能较高，但是贵金属类催化剂的价格高，资源相对匮乏，且在H2O2的阴极电还原催化的过程中也造成H2O2的分解，大大降低了H2O2的利用率，产生的O2对电池的安全性能也有一定的影响。因此，对贵金属与非贵金属合金催化剂的研究成为一个必然的趋势，以便减少贵金属作为催化剂的用量。
1.2 燃料电池概述
燃料电池是一种将反应物的化学能直接转化为电能的一种高效、清洁的装置。其基本结构与一般的化学电源相同，主要是由阴极、阳极和电解质构成，其电极本身具备催化和集流的作用。燃料电池一般具有以下几个优点：
（1） 能量转化效率高。它直接将燃料具备的化学能转化为电能，不需要像热机那样经过燃烧过程。目前燃料电池系统的转化效率在45％~60％，如果采用热电联用系统，其效率更加高，而其他形式的能量转化效率无法与之相比。
（2） 环境友好。如果使用氢气作为电池的燃料，其有害物质排出量为零。采用一些烃类或醇类燃料，因其高效率，CO2的排放量也会降低，SOx、NOx等有害气体排放量极低；而且电池工作时安静，没有噪音产生。
（3） 快速负载响应速度。燃料电池具有较短的负载响应速度，小型燃料电池在微秒范围内其功率可以达到所要求的输出功率；而兆瓦级的电站也可以在数秒内完成负载变化的响应。
（4） 良好的建设、运行和文护特性。燃料电池系统的附件比较少，占地面积小，而且安静、清洁，所以安装比较方便。可以安装在商业区、居民区或风景区作为现场电源或者备用电源；同时可以安装在条件恶劣的偏远地区作为电信基站的备用电源使用。电池部件的模块化程度高，可以方便扩大或者缩小安装规模，具有极强的建设灵活性。此外，燃料电池没有较大的机械运动部件，所以系统运行可靠性较高，不易发生故障，具有良好的文护性。
在具备众多优点的同时，燃料电池依然存在一些不足，阻碍其进入大规模的商业化应用：
（1） 燃料电池的成本较高。燃料电池中的组件较多，特别是对于低温工作的燃料电池使用的贵金属催化剂以及离子交换膜成本较高，高温使用的燃料电池其组件的使用要求较高，成本也相应提升。
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