李源弘臺灣大學：材料科學與工程學研究所蕭丞志Hsiao, Chen-ChihChen-ChihHsiao2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/55279過去十年來由於製程的突破與新材料的研發，使得燃料電池的性能有重大突破。燃料電池可以說是最乾淨的綠色能源之ㄧ，在其電能轉換過程中所排出的廢棄物是水，並沒有其他會造成環境污染產物。現今質子交換膜燃料電池為最主要開發的燃料電池之ㄧ，其發展重點著重在觸媒活性提升與交換膜的傳導度改善。從眾多的研究指出，現在最適合用在質子交換膜燃料電池的觸媒是鉑，因其具有較高的抗酸強度，並且在強酸溶液中具有很好的活性。但是鉑與一氧化碳鍵結強度較強，所以極容易附著在鉑表面產生遮蔽效應，本研究在探討藉由添加其他的奈米金屬觸媒來改善觸媒整體的穩定性。 Nafion®主要傳遞氫離子的方式，是反覆利用親水端的磺酸根水解跟吸附，而達到傳遞氫離子的效果。本實驗室先前的研究顯示，使用30％DPG人工石墨＋70％Vulcan XC-72R將有效提升觸媒整體活性，因自製人工石墨粉中含有少量奈米碳管，可利用奈米碳管及立體結構石墨，使得金屬觸媒顆粒達到分散效果和電化學效能的改進。另外使用釕、錫和鈀與鉑合成二元跟三元奈米金屬觸媒，希望能夠利用其能有有效轉換水分子的氫氧根與一氧化碳鍵結產生二氧化碳與水，進而降低觸媒被毒化的現象。藉由循環伏安法分析的結果顯示，添加適當的釕、錫和鈀金屬觸媒能有效提高電化學活性與增加觸媒穩定性。Rapid progress has been made in the development of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) technology over the past ten years. Proton exchange membrane fuel cell is a clean energy. After hydrogen oxidation and oxygen reduction, the final product is water. However, in order to achieve widespread commercial application of PEMFC in stationary and transportation markets, continued development is required. Within the fuel cell stack, key development areas are increase activity of catalyst and improve transition of membrane electrode assemblies (MEAs).in present reports, Platinum is the most popularly catalyst in PEMFC. Platinum is used due to its stability and because it enhances the hydrogen (H2) oxidation and oxygen (O2) reduction in an acid medium. The poor performance of pure platinum for methanol oxidation results from the strong adsorption pure platinum shown by CO on the metal. In order to overcome the blocking effect of CO on platinum, platinum has been alloyed with other metals. Nafion® utilizes repeatedly hydrolysis and adsorption of SO3H to transmit the H proton. In past work, we had known when 30% the DPG with 70% Vulcan XC-72R powders could increase activity of catalyst, because the DPG containing few CNT (carbon nanotubes) and three dimension structure graphite could make the catalyst disperse well and the promotion of the electrochemical performance. In this work, we adding Ruthenium, Tin and palladium mixed with platinum to be bi- or tri-metallic Pt-M (Ru, Sn and Pd) catalyst. Use Pt–M adsorbed OH on the M sites facilitates oxidative removal of CO residues on platinum. In the result, we can promotion electrochemical activity and enhance stability of catalyst by cyclic voltammetry method.口試委員審定書 I 誌 謝 III 摘 要 V Abstract VII 第一章 緒 論 1 1. 1 前言 1 1. 2 研究目的 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 燃料電池簡介 3 2. 1. 1 工作原理 3 2. 1. 2 影響燃料電池輸出功率之因素 5 2. 2 石墨在用作燃料電池載體的功用 6 2. 3 觸媒作用理論 7 2. 3. 1 鉑觸媒作用探討 7 2. 3. 2 其他金屬觸媒 9 2. 4 奈米金屬觸媒製程 10 2. 5 Nafion簡介 12 2. 6 電化學循環伏安法分析 15 2. 8 觸媒活性分析- Stonehart比表面積公式 19 第三章 實驗方法與步驟 20 3. 1 實驗藥品及設備 20 3. 2 實驗方法 20 3. 2. 1 Pt/C觸媒的製備方法 21 3. 2. 2 Pt-M/C二元觸媒的製作方法 21 3. 2. 3 Pt-M/C三元觸媒的製作方法 22 3. 3 DPG人工石墨粉末的製備 25 3. 3. 1 原料及設備 25 3. 3. 2 人工石墨粉末的製備流程 25 3. 3. 4 DPG人工石墨改質處理 26 3. 3. 5 載體合成 26 3. 4 觸媒粉末的分析 27 3. 4. 1 X-ray 繞射分析(XRD) 27 3. 4. 2 BET載體比表面積量測 27 3. 4. 3 電化學的分析 27 3. 4. 3. 1 工作電極的製作 27 3. 4. 3. 2 參考電極的製作 28 3. 4. 3. 3 循環伏安法 28 第四章 結果討論 31 4. 1 載體BET分析 31 4. 2 奈米金屬觸媒粒徑分析 33 4. 2. 1 X-ray分析 33 4. 2. 2 Rietveld Method精算分析 37 4. 3 電化學測試結果分析分析 47 4. 3. 1 利用雙氧水處理載體粉末性能分析結果 47 4. 3. 2 以不同的Nafion dispersions含量調配奈米金屬 觸媒進行循環伏安量測 50 4. 3. 3 以不同比例HF與Nafion dispersions混合對金屬 觸媒的影響 53 4. 3. 4 AgF電極對Nafion®的影響 56 4. 3. 5 各成分循環伏安法分析結果 60 4. 3. 6 各組成份耐久性檢測 75 4. 4 整合評估 81 第五章 結 論 84 參考文獻 86 Appendix 89 A-1 TEM 89 A-2 各成分三小時CV分析圖 92 A-3 DPG所含CNT含量計算 977355492 bytesapplication/pdfen-US質子交換膜燃料電池Nafion&reg觸媒活性奈米碳管金屬觸媒PEMFCactivityCNTmetallic catalystthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/55279/1/ntu-96-R94527037-1.pdf