直接甲醇燃料电池的阳极和阴极催化剂
直接甲醇燃料电池工作原理
直接甲醇燃料电池工作原理直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种新型的燃料电池，又称为液态燃料电池。
直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料，空气氧气为氧化剂，减少CO和NOx等废气的新型、高效、清洁的能源装置，具有绿色环保、高效利用、易储存、方便携带、快速响应、低噪音、简单制造等优点。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的工作原理。
一、基本组成直接甲醇燃料电池（DMFC）是由质子交换膜（PEM）、阳极、阴极和电子导体等基本组成部分组成。
质子交换膜材料通常是聚合物质子交换膜（PEM），阳极和阴极通常采用的是催化剂，电子导体一般采用碳材料。
质子交换膜和催化剂是直接甲醇燃料电池的核心。
二、工作原理1、阳极反应（氧化反应）直接甲醇燃料电池的阳极为负极，是由催化剂铂（Pt）制成。
阳极反应的化学式为：CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-在阳极处，甲醇和水分子在催化剂Pt的作用下，分解成质子（H+）和电子（e-）以及CO2的发生氧化反应，同时产生电子流和离子流。
2、阴极反应（还原反应）直接甲醇燃料电池的阴极为正极，也由催化铂制成。
阴极反应的化学式为：3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O在阴极处，氧气和质子与电子的结合发生还原反应，并生成水，释放出能量。
3、电子导体直接甲醇燃料电池的阳极和阴极之间，通过电子导体（如碳纤维织物）、质子交换膜（PEM）和电解质（如甲醇）实现电子的传递和离子的传递。
由于阳极和阴极之间没有电子流，故需要引入外部电路来完成电子的流动，这样就可以产生用电能。
4、电化学反应在直接甲醇燃料电池中实际上是一种电化学反应，就是将化学能转化为电能和热能的过程。
化学能转化成电能的具体过程为：在阳极上甲醇分子分解出H+和e-，e-通过电子导体外路，到达阴极上发生与氧气还原的反应，质子通过质子交换膜传递到阴极的反应区域与电子结合形成水。
甲醇燃料电池的阴极
甲醇燃料电池的阴极甲醇燃料电池是一种通过化学反应将甲醇的化学能转化为电能的装置。
在燃料电池中，阴极是电池的一个电极，负责将电子从燃料中分离出来，并将这些电子传递到外部电路，从而产生电流。
以下是关于甲醇燃料电池阴极的详细介绍。
一、阴极的反应过程在甲醇燃料电池中，阴极通常由催化剂、电解质和电极材料组成。
当甲醇进入阴极区域时，首先会与催化剂反应，产生氢离子（H+）和电子。
这个反应是甲醇氧化反应（MOR），可以表示为：CH3OH + H2O -> CO2 + 6H+ + 6e-在产生氢离子和电子后，这些离子通过电解质传递到电极材料和空气之间的界面。
在这个界面上，氧气（O2）从空气中进入电极材料，与氢离子和电子发生还原反应，产生水（H2O）和电子。
这个反应是氧还原反应（ORR），可以表示为：O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O在这个过程中，阴极的主要功能是将甲醇氧化的产生的电子传递到外部电路，同时将氢离子和氧气还原成水。
这样，通过阴极的反应过程，甲醇燃料电池将甲醇的化学能转化为电能和化学能。
二、阴极的材料选择在甲醇燃料电池中，阴极材料的选择对于电池的性能和稳定性至关重要。
通常，阴极材料需要具备以下特点：良好的电导性、稳定的电化学性能、良好的催化活性、耐腐蚀性和结构稳定性等。
以下是一些常用的阴极材料：碳基材料：碳基材料是一种常用的阴极材料，具有高电导性、良好的稳定性和较低的成本。
常见的碳基材料包括石墨、碳黑、碳纤维等。
金属氧化物：金属氧化物是一种具有高稳定性和高催化活性的阴极材料。
常见的金属氧化物包括二氧化铱（IrO2）、二氧化钌（RuO2）等。
复合材料：复合材料是结合了不同材料的优点而形成的材料。
常见的复合材料包括碳基催化剂/聚合物电解质复合材料、碳基催化剂/金属氧化物复合材料等。
其他材料：除了上述三种材料外，还有其他一些材料也用于阴极的制备。
例如，一些研究者尝试使用氮化物、磷化物等非碳基材料作为阴极材料。
用于直接甲醇燃料电极的阳极催化剂研究
用于直接甲醇燃料电极的阳极催化剂研究摘要：为了提高直接甲醇燃料电池阳极催化活性，本文研究了三种过渡金属取代磷钼酸修饰铂电极在硫酸溶液中的电化学行为及对甲醇的电催化氧化作用，并利用一氧化碳吸附实验评价了三种过渡金属取代磷钼酸修饰铂电极的抗一氧化碳毒化性能。
结果表明，三种过渡金属取代磷钼酸修饰铂电极均能够提高铂电极的催化活性，其中PMnMo11修饰铂电极对甲醇的催化活性最高，同时铂电极经三种过渡金属取代磷钼酸修饰后抗一氧化碳毒化能力增强。
关键词：直接甲醇燃料电池；阳极催化剂；过渡金属取代；PMo12修饰中图分类号：TM911.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2010）01-0045-02直接甲醇燃料电池由于非常适合作为电动汽车、小型电子设备和便携式移动电源，成为目前燃料电池研究领域的一个热点。
制约直接甲醇燃料电池发展的一个主要问题仍然是阳极催化剂的催化活性较低。
尽管甲醇在洁净的Pt上氧化较快，但生成反应中间产物COads后，Pt表面即被毒化。
由水转化的含氧粒子在催化位置上将CO氧化成CO2。
但在电位低于0.4mV（vs.RHE）时，Pt不能吸附H2O，因此，纯Pt对甲醇的电催化活性较差[1]。
为提高金属铂对有机小分子电氧化的催化效果，国内外许多学者都对钼酸盐进行过大量的研究。
Wang等[2]的工作证实钼酸盐的存在有助于甲醇在铂电极上的电催化反应，并认为Mo的助催化作用来自于Mo（Ⅲ）和Mo（Ⅵ）之间的转变。
鉴于钼酸盐对有机小分子的电催化氧化具有较高活性，联想到杂多酸本身作为催化剂有许多优点，并且磷钼酸修饰铂电极在硫酸溶液中比钼酸盐具有更好的稳定性，我们推测杂多钼酸（盐）也有可能成为有机小分子电催化氧化的有效成分。
前期工作已证实磷钼酸修饰铂电极对甲醇氧化具有较高的催化括性[3]，本文按文献[4]方法进一步合成了磷钼钴、磷钼镍和磷钼锰三元杂多酸，通过电化学修饰制备了三种过渡金属取代磷钼酸修饰铂电极，以期得到更好的催化效果，推进直接甲醇燃料电池的实用化。
直接甲醇燃料电池的制备及性能研究
直接甲醇燃料电池的制备及性能研究直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种利用甲醇直接进行电化学反应产生电能的装置。
它具有高能量密度、低温操作和零排放的优势，被广泛应用于移动电源和便携式设备。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的制备方法以及对其性能的研究。
一、DMFC的制备方法1. 膜电极组装直接甲醇燃料电池的关键组成部分是膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA），它由阳极、阴极和质子交换膜组成。
首先，通过喷涂法或浸渍法在阴极和阳极上分别涂覆铂催化剂，然后将质子交换膜放置在两个电极之间，形成MEA。
2. 电池板组装电池板由多个MEA叠加而成，每个MEA之间夹有集流板，并通过导电材料连接起来。
电池板的制备过程需要考虑MEA的紧密贴合以及电池板的导电性，常用的组装方法包括热压法和喷墨印刷法。
3. 氧化剂供应系统直接甲醇燃料电池需要供应氧化剂作为电极的还原剂。
传统的方法是通过外部供氧，但这种方式会限制DMFC的便携性。
因此，研究人员提出了自供氧系统，如氧气还原剂的制备和固态氧化剂的使用。
二、DMFC的性能研究1. 催化剂的选择和改性催化剂对DMFC的性能至关重要。
铂是常用的催化剂，但其昂贵和稳定性不足成为了限制因素。
因此，研究人员致力于寻找替代催化剂或改性铂催化剂，如镍、钼等过渡金属，以提高催化效率和降低成本。
2. 质子交换膜的改性质子交换膜对DMFC的质子传输和物质穿透起着重要作用。
传统的质子交换膜如聚氟乙烯（PEM）存在着溶剂渗透和耐久性不足的问题。
因此，改性质子交换膜的研究成为了重要的方向，如聚苯醚、聚苯硫醚等材料的引入。
3. 浓度极化与动力学特性DMFC中的某些因素，如甲醇浓度、温度、电流密度等，都会对电池的性能产生影响。
浓度极化是DMFC中的主要性能损失机制之一，其产生原因包括甲醇溶液的扩散限制和甲醇的氧化反应动力学等。
直接甲醇燃料电池铂基阳极催化剂碳载体发展
ＲｅｅｒｈＩｓｉ ｔ ｒ ｎｅｒｕ ｔｌ， ｅ ｉｇ１ Ｏ ８ ） ｓａｃ ｎｔ ｕｅｆ ｆｒｏ ｓＭｅａｓ Ｂ ｉｎ Ｏ Ｏ ８ ｔ ｏ Ｎｏ ｊ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ Ｃａ ｂ ｎ ｓ ｐ ｏ ｔ ｄ Ｐｔｂ ｓ ｄ ｐ ｒ ｉｌｓ ａ ｅ ｍｏ ｔ ｏ ｔ ｎ ｕ ｅ ｏ ｌｃ ｒ ｃ ｅ ｉａ ｌ ｘｄ ｚｎ ｔ ａ ｏ ， ｒ ｏ ｕ ｐ ｒ ｅ — ａ ｅ ａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｆｅ ｓ ｄ ｆ ｒ ｅｅ ｔ ｏ ｈ ｍ ｃ ｌ ｏ ｉ ｉｉ ｇ ｍｅ ｈ ｎ ｌ ｃ ｙ
直接 甲醇 燃料 电池 铂基 阳极 催化 剂碳 载 体发展 ／ 阳极 催 化 剂碳 载体 发 展
杨 民力
（ 京有色金属研究总 院国家有 色金属及 电子材料分析测试 中心 ， 北 北京 １０ ８ ） ０ ０ ８ 摘 要 碳 载铂基材料是最 常用的甲醇电氧化 催化剂 ， 而载体对催 化剂 颗粒 的分散 、 活性 以及 耐久性有 着显 著
ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｐ ｏ ｔ ａ ｅｏ ｖ ｏ ｓｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｈ ｉｔ ｉ ｕ ｉｎ，ｃ ｔ ｌ ｓ ｓａ ｄ ｄ ｒ ｂ ｌ ｙ ｏ ｔｂ ｓ ｄ ｐ ｒｉ ｌｓ ｎ ｈ ｕ ｐ ｒ ｓｈ ｖ ｂ ｉ ｕ ｎ ｌ ｅ ｃ ｎ ｔ ｅｄ ｓ ｒ ｔ ｂ ｏ ａ ａ ｙ ｉ ｎ ｕ ａ ｉ ｔ ｆＰ － ａ ｅ ａ ｔｃｅ ．Ｔｈ ａ ｂ ｎ ｉ ｅｃ ｒ ｏ ｓ ｐ ｏ ｔ ｅ ｏ ｔ ｄ ｉ ｈ ｅｅ ｔ ｄ ｒ ｃ ｎ ｉ ｒ ｔ ｒ ｒ ｒ ｕ ｅ ｎ ｏ ｓ ｖ ｎ ｃａ ｓ ｓ ｕ ｐ ｒ ｓｒ ｐ ｒｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｌｃ ｅ ｅ ｅ ｔ ｌ ｅ ａ ｕ ｅ ａ ｅ ｇ ｏ ｐ ｄ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌｓ ｅ ：Ｖｕ ｃ ｎ ＸＣ ７ ，ｈ ｌ ｗ ｐ ｅ ｅ ｒ ｔ ｌａ － ２ ｏｌ ｏ ｓ ｈ ｒ ，ｏ —
直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备及其MOR性能研究
直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备及其MOR性能研究直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）作为一种将甲醇直接转化为电能的燃料电池技术，在可再生能源领域具有广阔的应用前景。
阳极催化剂是DMFC关键的组成部分，对其性能研究与制备工艺的优化具有重要意义。
本文将探讨直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备以及其甲醇氧化反应（Methanol Oxidation Reaction, MOR）性能。
首先，针对DMFC阳极催化剂的制备工艺进行了研究。
目前最常用的阳极催化剂是贵金属铂（Platinum, Pt）及其合金物种，如PtRu、PtSn等。
传统的制备方法包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、化学还原法等。
然而，这些制备方法存在着成本高、工艺复杂、易受污染等问题。
近年来，人们开始探索新的制备方法，如微乳液法、溶胶打印法等，以提高阳极催化剂的性能和制备效率。
其次，本文还对直接甲醇燃料电池阳极催化剂的MOR性能进行了研究。
甲醇氧化反应是DMFC中的关键反应步骤之一，其反应过程复杂且容易产生副反应，导致电池效率降低。
为了提高催化剂的活性和选择性，研究人员采取了一系列改进措施，如合金化改性、表面修饰、载体优化等。
通过优化阳极催化剂的性能，可以提高甲醇氧化反应的速率、降低电势损失，从而提高DMFC的整体性能。
通过实验研究，本文发现，一些新型阳极催化剂具有较好的MOR性能。
例如，Pt和其他过渡金属的合金化催化剂可以显著提高甲醇的氧化活性，提高DMFC的功率密度和电化学稳定性。
此外，一些表面修饰措施，如纳米粒子的尺寸调控、表面包覆等，也可以显著改善阳极催化剂的MOR性能。
综上所述，直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备及其MOR性能研究具有重要意义。
通过改进制备工艺和优化催化剂性能，可以提高DMFC的电池效率和性能稳定性。
未来的研究方向可以集中在开发低成本的阳极催化剂、提高催化剂的使用寿命和降低甲醇氧化反应的副产物。
甲醇燃料电池的研究与应用
甲醇燃料电池的研究与应用一、引言甲醇燃料电池是一种新型的化学能电池技术，具有高能效、环保、绿色等优良特性，是未来可持续发展的关键能源技术之一。
本文对甲醇燃料电池的研究与应用进行介绍。
二、甲醇燃料电池的构成与工作原理1. 构成甲醇燃料电池由阳极、阴极、电解质和电极间连接的电路等组成。
其中，阳极常用的是铂基合金催化剂，阴极常用的是氧气，电解质为固态或质地较稠的液态，电极上常常涂有氧化银或铜等催化剂。
2. 工作原理甲醇燃料电池的工作原理是，甲醇在阳极处被催化氧化成为CO2、H2O和电子。
电子随后传输至阴极处，与氧气发生化学反应并释放出电能。
同时，电子通常还会通过外部电路流回阳极，从而维持化学反应的持续进行。
三、甲醇燃料电池的研究进展1. 催化剂的研究催化剂的研究是甲醇燃料电池研究的热点之一。
研究表明，铂基合金催化剂可以有效提高甲醇燃料电池的性能，例如提高催化活性和电子传导性等。
2. 电解质的研究电解质是影响甲醇燃料电池性能的关键因素之一。
传统的电解质为液态，但这种电解质存在着困扰，如气泡问题、渗漏问题等，因此质地较稠的固态电解质出现了并得到广泛应用。
3. 系统集成优化研究甲醇燃料电池的系统集成包含很多环节，如燃料供应、水管理、废气处理，以及电池的热管理等。
不同的系统配置对电池性能有不同的影响。
因此，系统集成研究是优化甲醇燃料电池性能的重要方向。
四、甲醇燃料电池的应用1. 传统应用甲醇燃料电池具有多种特点，例如高效、绿色、环保等，所以在传统能源领域得到了广泛应用。
其中最为经典的应用是便携式电子设备，如手机、笔记本电脑等。
2. 其他应用领域甲醇燃料电池的另一个重要应用领域是汽车领域，如燃料电池汽车和混合动力汽车等。
此外，甲醇燃料电池也可以用于微型氢氧燃料电池，用于小型电子设备中的电源。
五、未来展望甲醇燃料电池虽然具有广泛应用前景，但仍然存在很多挑战和问题。
例如，催化剂的稳定性、电解质的稳定性和成本等。
未来，需要继续对甲醇燃料电池的材料和技术进行研究，以提高其效率和性能，为未来的可持续发展做出更大的贡献。
DMFC直接甲醇燃料电池简介
直接甲醇燃料电池1.1 DMFC 的工作原理直接甲醇燃料电池（DMFC）是以质子交换膜为电解质、液态甲醇为燃料的一种新型燃料电池。
如图1.1 所示，它主要由阳极、阴极和电解质膜三部分组成。
DMFC 工作时，甲醇和水的混合物经扩散层扩散进入催化层，在阳极催化剂的作用下直接发生电化学氧化反应生成 CO2、6 个电子和 6 个质子。
质子经质子交换膜由阳极迁移到阴极区，而电子经外电路做功后到达阴极区。
氧气（或空气）经扩散层扩散进入催化层并在阴极催化剂的作用下与流入阴极区的电子和质子发生电化学反应生成水。
电池的总反应方程式如式1-1 所示，电子在迁移过程中经外电路做功形成回路产生了电流，实现了化学能到电能的转化。
(1)、酸性条件下电极反应与电池总反应方程式为：阳极： CH3OH+ H2O→CO2+ 6H+ + 6e- E10 = 0.046 V阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e-→3H2O E20 = 1.23 V总反应：CH3OH+ 3/2 O2→CO2 + 2H2O E = E20 - E10 =1.18 V (1.1) 从总反应方程式可以看出，DMFC 中甲醇的化学能转化为电能的电化学反应结果与甲醇燃烧生成二氧化碳和水的反应相同。
由于阳极甲醇氧化反应的可逆电势较氢标准电势高，因此，DMFC 的标准电势较氢氧燃料电池更低。
理论计算结果表明：DMFC的E0=1.183 V，能量转化率为 96.68 %，但电池的实际工作电压远小于此值。
当阳极电势≥0.046 V（可逆氧化电势）时，甲醇将自发进行反应；相同地，当阴极≤1.23 V（可逆还原电势）时，氧也可以自发地发生还原反应。
因此，阳极电势比0.046 V 高的多而阴极电势比1.23 V 低得越多时，电极反应速度就越快，而此偏离热力学电势的极化现象使得 DMFC 的实际工作电压比标准电势 E0低。
直接甲醇燃料电池阴极催化剂的主要类型与进展
DMFC阴极催化剂类型
• • • • • • • 1.Pt/C催化剂 2.Pt基复合催化剂 3.过渡金属大环化合物催化剂 4.Chevrel相催化剂 5.过渡金属硫化物催化剂 6.过渡金属羟基化合物催化剂 7.其他类型催化剂
Pt/C催化剂
20世纪70年代，Pt/C催化剂成为主要 DMFC中的主要阴极催化剂。 • 优点：催化性能大大优于Pt黑催化剂。 • 缺点：容易使阴极产生混合电位、毒化Pt催 化剂从而降低催化活性。
• 优点：很好的耐甲醇性。 • 缺点：制备困难、价格昂贵、稳定性差。
Chevrel相催化剂
• 此类催化剂也称为过渡金属原子簇化合物， 是在20世纪80年代中期发现的。 • 分类：二元化合物(Mo6X8,X=S、Se、Te） 三元化合物（MxMo6X8） 假二元物（Mo6-xMxX8） 优点：对氧还原有良好的点催化活性 缺点：制备困难
• 阳极反应: CH3OH+H2O→CO2+6H++6e• 阴极应: 3/2O2+6H++6e→3H2O • 电池总反应: CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O
目前DMFC的发展面临着一个障碍——“甲醇渗透问 题”。这是因为，DMFC普遍使用的Nafion 膜具有较高 的甲醇透过率，甲醇能够从阳极穿过电解质膜进入到阴 极，由于阴极一般使用 Pt/C作催化剂，氧还原和甲醇氧 化会同时发生，因此产生 “混合电位”，严重降低燃料 的效率和电池的输出功率。此外，甲醇及其氧化的中间 产物还会使Pt/C催化剂中毒，影响Pt对氧还原的催化活性。 解决甲醇渗透主要有两种途径：使用甲醇渗透率低 的电解质膜（或阻醇膜）；使用抗甲醇氧还原催化剂。 已知的氧还原电C催化材料主要有铂及铂基合金催化剂， 过渡金属大环化合物，卟啉－金属氧簇超分子化合 物， 过渡金属氧化物以及杂多酸复合催化剂等 。
燃料电池之直接甲醇燃料电池
Pt基复合催化剂
阴极催化剂
也称为过渡金 属原子簇化合 物，20世纪80 过渡金属大环化合物催化剂 年代中期发现 的，对氧还原 具有良好的电 Chevrel相催化剂 催化活性和耐 甲醇性
过渡金属硫化物催化剂 过渡金属羰基化合物催化剂 其他类型催化剂
研究过的有MoxRuySz, RhxRuySz,RexRuySz等。 Pt基复合催化剂 其中碳载MRu5S5(M为 Rh或Re)对氧还原的电催 化活性最好，并且对甲醇 过渡金属大环化合物催化剂 没有电催化活性
阳极 催化剂
非金属催化剂
考虑到Pt催化剂的种种不足，人们开始用含 氧丰富的高导电性和高催化活性的ABO3型金属氧 化物为甲醇氧化的阳极催化剂。A位上的金属有 Sr、Ce、Pb、La, B位上的金属有Co、Pt、Pd、 Ru等。 也有采用复合型的，就是A和B位均采用 两种不同的金属。这类催化剂的优点是对甲醇氧 化有较高的电催化活性，而且不发生中毒的现象。
燃料电池
LOGO
直接醇类燃料电池 Direct Alcohol Fuel Cell，DAFC
中南大学冶金科学与工程学院 中南大学冶金科学与工程学院
5.5直接醇类燃料电池
直接醇类燃料电池（DAFC)与PEMFC相近，只
是不用氢作燃料，而是直接用醇类和其他有机分子作 燃料。直接醇类燃料电池就是将有机小分子醇类和氧 气的化学能转化为电能的一种能量转化装置。 而以前的研究工作大都是针对用甲醇直接作燃料 的直接甲醇燃料电池(DMFC)的。
Pt基复合催化剂
三元合金
过渡金属大环化合物催化剂 阴极催化剂 Chevrel相催化剂 过渡金属硫化物催化剂 过渡金属羰基化合物催化剂 其他类型催化剂
Pt基复合催化剂
过度金属的络 合物
直接甲醇燃料电池的结构
直接甲醇燃料电池的结构1. 引言直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种能够将甲醇直接转化为电能的化学能转换装置。
相比传统的燃料电池，DMFC具有更高的效率和更低的排放。
本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的结构和工作原理。
2. DMFC的主要组成部分直接甲醇燃料电池主要由以下几个组成部分构成：2.1 阳极（Anode）阳极是DMFC中起到催化剂作用的关键部分，通常采用铂基催化剂。
阳极上的催化剂能够促使甲醇在氧气存在下发生氧化反应，产生二氧化碳和质子。
2.2 阴极（Cathode）阴极是DMFC中起到还原剂作用的部分，通常采用铂基催化剂。
阴极上的催化剂能够促使氧气与质子发生还原反应，产生水。
2.3 质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）质子交换膜是DMFC中起到隔离阳极和阴极的关键部分，它具有良好的质子传导性能。
常用的质子交换膜材料包括聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）和聚苯乙烯磺酸盐（Polystyrene Sulfonic Acid，PSSA）等。
2.4 甲醇供应系统甲醇供应系统主要由甲醇储存罐、甲醇泵和甲醇喷射器组成。
甲醇从储存罐中被泵送至阳极的催化剂层，在催化剂的作用下发生氧化反应。
2.5 冷却系统直接甲醇燃料电池在工作过程中会产生一定的热量，为了保持电池温度稳定，需要通过冷却系统将余热排出。
3. DMFC的工作原理直接甲醇燃料电池的工作原理如下：1.在阳极上，甲醇被催化剂氧化为二氧化碳、质子和电子：CH3OH + H2O →CO2 + 6H+ + 6e-2.质子可以通过质子交换膜传导到阴极，而电子则通过外部电路流动到阴极。
3.在阴极上，氧气和质子发生还原反应生成水：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O4.外部电路中的电子流动产生电能，供应给外部设备使用。
5.DMFC的副产物为二氧化碳和水，无污染物排放。
直接甲醇燃料电池阴极新型复合催化剂的研究的开题报告
直接甲醇燃料电池阴极新型复合催化剂的研究的开题报告一、研究背景和意义：随着能源和环境问题的日益突出，绿色能源技术受到了越来越多的关注。
直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种新型的绿色能源技术，具有高效、低排放、轻便、易于携带等优点，被广泛认为是未来微型化可携式电源的发展方向。
然而，DMFC的商业化应用还存在许多问题，其中一个重要问题就是阴极催化剂的稳定性和活性。
传统的DMFC阴极催化剂Pt/C虽然具有较高的催化活性，但在长时间运行中容易出现钝化和中毒，导致催化剂失效。
因此，为了提高DMFC的稳定性和持续性能，研发新型复合催化剂已成为当前的研究热点。
二、研究内容和目标：本次研究旨在探究新型复合催化剂对DMFC电极性能的影响，并研制出具有高活性和稳定性的催化剂，同时探究其在不同工况下的表现。
具体研究内容包括：1. 合成一系列新型复合催化剂，包括原位生长法、后修饰法、贵金属-PGM合金等方法。
2. 通过SEM、TEM、XPS、BET等表征手段对催化剂进行表面形貌、相结构、氧化还原性及催化活性等性能测试。
3. 构建催化剂和炭布/纳米管复合电极体系，并对该电极体系的电化学性能进行测试和分析。
4. 在不同工况（温度、浓度、氧化还原性、压力等）下测试复合催化剂的电化学性能。
三、研究方法和技术路线：1. 合成方法：原位生长法、后修饰法、贵金属-PGM合金法等。
2. 表征方法：扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和比表面积（BET）等。
3. 催化剂性能测试：循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电位测试（CP）等。
4. 实验流程：第一步：制备纳米碳管和炭布。
第二步：制备复合催化剂，包括原位生长法、后修饰法和贵金属-PGM合金等方法。
第三步：将催化剂和碳布/纳米管复合，形成催化剂/碳载体复合电极，并在不同工况下测试其电化学性能。
四、研究预期结果：1. 合成出一系列高效、稳定、经济的 DMFC 阴极复合催化剂。
直接甲醇燃料电池碳纳米管负载的阳极催化剂研究的开题报告
直接甲醇燃料电池碳纳米管负载的阳极催化剂研究的开题报告导言：直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种高效、清洁、便携式的能源转换器，在能源领域具有广泛的应用前景。
然而，DMFC还存在许多问题，例如动力输出效率低、催化剂寿命短等等。
其中，阳极催化剂是DMFC中最为重要的组成部分，其催化性能的提高是提高DMFC整体性能的关键。
因此，采用新型高效的阳极催化剂是DMFC研究中的重要方向。
本文将重点介绍一种新型阳极催化剂——碳纳米管负载的催化剂。
碳纳米管具有良好的导电性、热稳定性以及成本低廉等优点，能够提高阳极催化剂的催化性能。
本文将对碳纳米管负载的催化剂的制备方法、表征方法以及催化性能进行研究，探究其在DMFC中的应用前景。
一、研究背景直接甲醇燃料电池（DMFC）是利用甲醇进行氧化还原反应来转化化学能为电能的电池。
DMFC具有简单的结构、高效的能量转化、低噪音和低污染等优点，因此在便携式电子设备、无人机、耳机等领域得到广泛应用。
然而，DMFC还存在一些问题，例如甲醇的渗透、动力输出效率低、催化剂耐久性不够等等。
其中，催化剂是DMFC中最为关键的组成部分，其催化性能的提高是提高DMFC整体性能的关键。
目前，Pt基催化剂是DMFC的主要催化剂。
然而，Pt催化剂价格昂贵，而且易受到CO、HCOOH等物种的中毒，从而破坏催化剂表面积。
因此，开发一种替代Pt催化剂的新型阳极催化剂是DMFC研究中的重要方向。
二、研究内容和目标本文将研究碳纳米管负载的阳极催化剂。
碳纳米管具有良好的导电性、热稳定性和成本低廉等优点，能够提高阳极催化剂的催化性能。
本文将探究碳纳米管负载的阳极催化剂的制备方法、表征方法以及催化性能，并与Pt催化剂进行比较。
本文的具体研究内容包括：1. 碳纳米管负载催化剂的制备方法研究：采用浸渍沉积法制备碳纳米管负载催化剂，研究制备过程中不同条件对催化剂性能的影响，并结合XRD、TEM等手段对催化剂进行表征。
2. 碳纳米管负载催化剂的催化性能研究：采用恒电流法和循环伏安法测定催化剂对甲醇氧化反应的催化性能，并与Pt催化剂进行比较。
直接甲醇燃料电池研究与应用
直接甲醇燃料电池研究与应用直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是一种以甲醇为燃料的燃料电池，其燃烧产生电能。
DMFC与传统的燃料电池相比，具有更为简便的燃料和更低的操作温度等优点，因此备受研究和应用领域的青睐。
一、直接甲醇燃料电池的原理及构造1、原理DMFC是一种基于甲醇氧化还原反应的燃料电池，可以将甲醇中的化学能转化为电能。
其原理与其他燃料电池类似，即燃料在阳极上进行氧化反应，产生电子和正离子，电子通过外部电路到达阴极，正离子经过电解质膜向阴极迁移，与电子在阴极上复合，释放出能量。
甲醇氧化反应的化学方程式为：CH3OH + 3/2O2→ CO2+2H2O2、构造DMFC由阴极、阳极、电解质和催化剂等部分组成。
其中催化剂被用来加速反应，电解质用来分离阳极和阴极，避免直接接触。
DMFC的构造相对简单，结构紧凑，具有体积小、重量轻等优点。
与传统的燃料电池相比，DMFC采用了更为便捷的燃料，节省了储存系统和输送系统的费用和空间。
二、直接甲醇燃料电池的优点1、方便和简单DMFC的燃料甲醇相对于氢气更为便捷和易于存储。
在氦气储氢要求极高的情况下，储存和输送氢气需要耗费更多的费用和能源。
而燃料为甲醇的DMFC，可以直接使用市场上的甲醇作为燃料，无需储藏和输送氢气。
2、低温操作DMFC的操作温度相比传统的燃料电池较低，只需要在常温下进行。
在操作温度低于100℃的条件下，DMFC具有更加高效和经济的能源转化方式。
3、高效转化由于DMFC能直接利用甲醇进行电能转化，其能源转化效率相对传统的燃料电池更高。
燃料的化学能转化为电能的效率达到了40%～50%，是其他能源转化系统所不能比拟的。
三、直接甲醇燃料电池的应用DMFC的应用领域广泛。
在现代化的能源体系建设中，DMFC被广泛运用于便携式电子设备、家庭燃料电池电源等领域。
1、便携电子设备DMFC可以作为一种高效的电源技术运用于便携式电子设备的电源。
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"3$ ! 01基 催 化 剂 01催化甲 醇 氧 化 的 反 应 动 力 学 过 程 主 要 包 括
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尽管直接甲醇燃料电池已得到小规模应用"但 至今没有真正实现大规模商业化"其关键问题在于 阳极和阴极催化剂的成本昂贵以及使用寿命短"因 此发展高效'低廉的 新 型 催 化 剂 成 为 目 前 ,-./研 究的重要方向( 01基 催 化 剂 是 迄 今 为 止"对 阳 极 甲 醇氧化反应# S>1=BJ;K;TIFB1I;J @>BM1I;J" -2P$ 和阴 极氧还原反应# ;THR>J @>FDM1I;J @>BM1I;J" 2PP$ 最有 效的催化剂 )(" 8 )$#* ( 01作为催化剂存在的突出问题 是"为了实现商业化应用所需的催化活性"需要一定 的 01负 载 量"从 而 提 高 了 催 化 剂 的 成 本( 同 时"甲 醇 的 电 化 学 氧 化 过 程 中 容 易 部 分 氧 化" 生 成 /2]BFC']/]2BFC和 /2BFC等反应活 性 中 间 体"使 作 为 阳极催化剂的 01基催化剂中毒 )'* %而 阴 极 甲 醇 渗 透 也会影 响 阴 极 01基催 化 剂 的 活 性"进 而 影 响 ,-./ 的 电 池 效 率( 因 此" 对 01基 催 化 剂 进 行 改 性 和 优 化"降低 01的用 量 和 提 高 催 化 剂 的 催 化 效 率" 具 有 重要的现实意义( 但是"若今后大规模使用燃料电 池"01的低储量 将 不 能 满 足 01的 用 量 的 需 求%由 于 01在地球上的 储 量 非 常 有 限" ,-./发 展 的 根 本 出 路在于开发可以替代铂的'高活性的'低成本的和资 源丰富的催化 剂( 本 文 主 要 从 01基 催 化 剂 和 非 01 催化剂的研究两方面"对直接甲醇燃料电池的阳极 和阴极催化剂最新研究进展进行论述"讨论存在的 问题及对策"并对其未来发展方向进行了展望(
收稿 "#$% 年 * 月 收修改稿 "#$% 年 % 月 网络出版 "#$% 年 & 月 $ 日 特约 !国家自然科学基金项目 :;<"$"&$$+% 和国家重点基础研究发展计划'&* 项目 :;<"#$$/5'**&#" 资助
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89引言
随着环境和能源问题的日益突出"开发清洁'高 效的新能源成为了全世界的研究热点"其中"燃料电 池# ND>KM>KK$ 由于其高效率和低排放"被认为是 继 水 力发电'火力发电和核能发电后的第四类发电技术" 具有广阔的应用前景( 燃料电池按电解质类型分为 % 大类!碱性燃料电池# BKABKIJ>ND>KM>KK"6./$ "磷酸 燃料 电 池 # E=;CE=;@IMBMIF ND>KM>KK" 06./$ " 熔 融 碳 酸盐燃料电池# S;K1>J MB@G;JB1>ND>KM>KK"-/./$ "固 体氧化物燃料电池# C;KIF ;TIF>ND>KM>KK"L2./$ 和质 子交 换 膜 燃 料 电 池 # E@;1;J >TM=BJR>S>SG@BJ>ND>K M>KK"0W-./$ ( 其 中" 0W-./是 以 能 够 传 导 质 子 的 聚合物# 如全氟磺酸膜"即 :BNI;J$ 作为电解质"具有 工作温度低#8# X$ "电解质无腐蚀"工作电流大"环 境友好以及寿命长等优点"成为目前发展最快'应用 最广泛的燃 料 电 池 )$* ( 据 美 国 能 源 部 ,2W发 布 的 +"#$* 年燃 料 电 池 技 术 市 场 报 告 , ""#$* 年 燃 料 电 池系统出货量逾 *% ### 套"较 "##8 年和 "#$" 年分 别增长了 (##Y和 "+Y( 世界燃料电池产业销售额 首次突破 $# 亿美元"达 $* 亿 美 元 )"* ( ,2W"#$# ) "#$% 的目标是""#$% 年燃料电池系统的发 电成 本 降 至 *# ZL,[A\)** (
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化学进展
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直接甲醇燃料电池的阳极和阴极催化剂
化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ进展
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林 ! 玲 ! 朱 ! 青 ! 徐 安 武
中国科学技术大学!合肥微尺度物质科学国家实验室!合肥 "*##"+
摘!要!直接甲醇燃料电池 ,-./ 由于其结构简单能量密度高易携带无 污 染 等 优 点成 为 燃 料 电 池 未 来发展的方向 阳极和阴极催化剂的 活 性 和 稳 定 性 是 决 定 ,-./性 能寿 命 和 成 本 的 关 键 然 而商 业 催 化剂铂 01 的低储量和高成本限 制 了 ,-./的 广 泛 应 用同 时非 铂 类 催 化 剂 的 活 性 和 稳 定 性 还 需 要 进 一 步提高以达到商业化应用的要求 本 文 综 述 了 近 年 来 国 内 外 ,-./阳 极 和 阴 极 催 化 剂 的 最 新 研 究 进 展 首先对于阳极甲醇氧化催化剂分别 对 01基 催 化 剂 的 改 性 和 非 01类 催 化 剂 的 研 究 进 展 进 行 了 详 细 介 绍 其次概述了 01基阴极氧还原催化剂 的 改 性 和 非 01阴 极 催 化 剂 的 发 展 现 状此 外对 于 催 化 剂 与 载 体 的 强 相互作用产生的协同效应进行了总结论述最后对直接甲醇燃料电池阳极和阴极催化剂的发展前景进行了 展望 关键词!燃料电池!甲醇!催化剂!铂基!非铂 中图分类号2+(*3* 2+(+3%( 45*(!文献标识码 6!文章编号 $##%7"8$9"#$%#'7$$(&7$$
然而"如何解决氢源问题和储氢问题一直困扰 0W-./的进一步发展( 与氢气相 比"其 他 燃 料 的 能
量密度较低"其中"能量密度最高的燃料是甲醇 )(* ( 此外"以甲醇作 为 燃 料 还 具 有 燃 料 易 得' 价 格 低 廉' 能量密度高'易储存和携带等优点"使直接甲醇燃料 电池# FI@>M1S>1=BJ;KND>KM>KK$ 受 到 广 泛 关 注 )% )&* ( 其工作原理是!甲醇和水的混合物由阳极进入"在阳 极催化剂 的 作 用 下 直 接 发 生 电 化 学 氧 化 反 应 生 成 /2" '+ 个电子和 + 个 质 子( 质 子 经 质 子 交 换 膜" 由 阳极迁移到阴极区"而电子经外电路做功后到达阴 极区( 氧气#或空气$从阴极进入"在阴极催化剂的 作用下被还 原" 与 进 入 阴 极 区 的 质 子 结 合 生 成 水( 电子在迁移过程中经外电路做功形成回路"产生电 流"从而使化学能转化为电能 )$* (