直接过氧化氢燃料电池（Fe、Ni、Co）基催化电极的制备及性能研究

发布时间：2020-09-24 09:50

　　 直接过氧化氢燃料电池(DPPFC)是一种以H_2O_2作为燃料和氧化剂的新型液态燃料电池,使得DPPFC可于无氧环境下工作(作为空间和水下电源)。本论文针对直接过氧化氢燃料电池的催化电极开展研究,设计制备了一系列催化电极,分别研究了其催化H_2O_2在酸中电还原(阴极反应)和碱中电氧化(阳极反应)的活性和稳定性,考察了其构成的DPPFC的性能。利用简单的无模板法制备出了泡沫镍(Ni-foam)支撑的钴酸镍(NiCo_2O_4)纳米电极,研究了NiCo_2O_4/Ni-foam电极的电催化性能。XRD等表征结果表明,NiCo_2O_4/Ni-foam电极为具有尖晶石结构的纳米线阵列结构,单根纳米线粗细均匀,长度约为800~900 nm,直径约为50~100 nm,由许多直径约为10~15 nm的纳米颗粒组成,并且在纳米线上存在大量平均粒径约为2~7 nm的不规则孔。所制备的多孔NiCo_2O_4/Ni-foam电极对H_2O_2电还原和电氧化反应都具有较高的催化活性和良好的稳定性。在3.0 mol?L~(-1)KOH+0.4 mol?L~(-1)H_2O_2溶液中,-0.4 V时的还原电流密度为190 mA?cm~(-2),远大于NiCo_2O_4粉末涂覆电极所能达到的79 mA?cm~(-2),在0.3 V时的氧化电流密度达到462 mA?cm~(-2)。以NiCo_2O_4/Ni-foam为阳极和以Pd/CFC为阴极组装成双室DPPFC,20℃电池的开路电位可达0.86 V,最大输出功率为20.1 mW?cm~(-2),高于文献报道的数值(14 mW?cm~(-2))。利用共沉淀法制备出了二元普鲁士蓝类铁氰化镍铁(NiFeHCF)纳米粒子催化剂,再将纳米粒子涂覆在碳布表面制备出了NiFeHCF/CFC纳米电极,TEM和XRD等测试分析表明,制备的NiFeHCF颗粒具有结晶度较好的面心立方结构,平均粒径为2.57 nm,多孔且均匀地分布在碳布基体的表面上。电化学分析表明,多孔NiFeHCF/CFC电极表现出优异的催化性能和良好的稳定性能。在0.1 V电位下,电极催化过氧化氢电还原的电流密度为115 mA?cm~(-2),高于文献报道的纳米Au电极的电流密度(40 mA?cm~(-2))。以多孔NiFeHCF(n_(Fe):n_(Ni)=1:1,7 mg?cm~(-2))/CFC电极作为阴极和以Ni/Ni-foam作为阳极组装成的双室DPPFC,20℃下电池的开路电压高达1.09 V,最大功率密度达到36 mW?cm~(-2),是以Pd/CFC电极为阴阳极的电池性能(14.3 mW?cm~(-2))的2.5倍。在40℃下,DPPFC的峰值功率密度达到了63 mW?cm~(-2),这一结果表明,NiFeHCF纳米电极由于其成本低,合成方法简单,是一种可替代贵金属的有研究和发展前景的催化剂。利用共沉淀法制备出了碳布负载的二元普鲁士蓝类铁氰化镍钴催化剂的电极(NiCoHCF/CFC),经过SEM等表征分析得出制备的纳米NiCoHCF颗粒平均粒径为2.44nm,比表面积达到22.1 m~2?g~(-1),具有结晶度较好的面心立方结构。利用循环扫描伏安法、线性扫描伏安法和计时电流法分别研究了NiCoHCF/CFC电极对H_2O_2电还原的催化性能,研究表明所制备的纳米催化剂NiCoHCF(n_(Ni):n_(Co)=1:1,6 mg?cm~(-2))/CFC对H_2O_2电还原具有较高的电化学活性和良好的稳定性。电极在-0.2 V下的还原电流密度达到200mA?cm~(-2)。以NiCoHCF(n _(Ni):n_(Co)=1:1,6 mg?cm~(-2))/CFC电极作为阴极和以Ni/Ni-foam作为阳极组装成的双室DPPFC,在20℃下电池的开路电压高达1.07 V,最大功率密度达到43 mW?cm~(-2)。通过共沉淀法制备出了碳布负载的三元普鲁士蓝类铁氰化铁镍钴催化剂的电极(FeNiCoHCF/CFC)。通过SEM和XRD等分析发现,当n_(Fe):n_(Ni):n_(Co)=1:1:1、2:1:1、1:2:1和1:1:2时,FeNiCoHCF的平均粒径分别为15.05 nm、10.39 nm、12.8 nm和16.62 nm,都具有结晶度较好的面心立方结构。利用循环扫描伏安法、线性扫描伏安法和计时电流法对Fe、Ni、Co的相对含量与催化过氧化氢电还原的电化学性能之间的关系进行了研究,发现随着Ni在催化剂中的质量百分含量的增加,催化电极对过氧化氢电还原反应的催化活性提高,FeNiCoHCF(n _(Fe):n_(Ni):n_(Co)=1:2:1,6 mg?cm~(-2))/CFC电极具有最优的催化过氧化氢电还原活性,当电极电势为-0.2V时,还原电流密度为209 mA?cm~(-2)。以Ni/Ni-foam为阳极和以多孔FeNiCoHCF(n_(Fe):n_(Ni):n_(Co)=1:2:1,6 mg?cm~(-2))/CFC电极为阴极组装成的双室DPPFC,在20℃电池的开路电压达1.06 V,峰值功率密度达到了43.4 mW?cm~(-2),对应的电流密度为100.4 mA?cm~(-2),电池电压为0.42 V。使用普鲁士蓝类FeNiCoHCF/CFC电极有助于降低DPPFC燃料电池的成本,并提高其性能。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4
【部分图文】：

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哈尔滨工程大学博士学位论文工作原理.2)由阳极(氧化反应发生的区域)、阴极(还原反应带离子)组成。可以不经过燃烧，直接以化学反化学能转化成为电能。阴极电子流入，氧化剂发氧化反应。电解质在阴阳极之间将氧化剂与燃子传导的作用。燃料电池与普通电池存在差异，性物质而只是电催化和集流的转换元件，同时也有很大容量的开放体系，活性物质存储于电池断的输送就能持续发电。

哈尔滨工程大学博士学位论文、大小均匀、具有面心立方结构的纳米六氰合铁酸钴(CoHC液的 pH 对粒径分布、晶体结构、红外光谱的影响。该方法对实验设备和条件的要求低，所制备的普鲁士蓝类催化剂匀。根据之前的报道，将普鲁士蓝类催化剂用于过氧化氢电蓝的尺寸和形貌[219,220]。近年来，各种形貌的 PB 和 PBA(如体、微米立方体和介孔结构被成功制备[221-230]。Mann 等人利用米立方体。这些立方体可以自发形成超晶格。Cao 等人利用(100)晶面覆盖的 PB 亚微米立方体 。Yang 等利用水热法，大全三价 Fe 的柏林绿。电极表面的 PB 薄膜是一种对 H2O2电物质。因此，普鲁士蓝类化合物是一种有前景的 H2O2电还

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本文编号：2825584