负载型金属催化剂的制备及其催化肼电氧化性能的研究

发布时间：2020-03-07 17:08

【摘要】：以肼作为燃料的直接肼燃料电池(Direct Hydrazine Fuel Cell,DHFC)因其具有许多优点而逐渐引起人们的关注。首先,肼发生电氧化反应只产生氮气及水,不会造成温室气体的排放。因此,DHFC可实现零污染排放。其次,肼电氧化过程中不生成毒化催化剂的物种,比如一氧化碳等。最后,DHFC具有较高的理论电动势以及能量密度。然而,肼的电氧化反应是动力学上的缓慢过程以及催化剂的电催化活性有待提高,仍是DHFC面临的主要问题。因此,必须开发具有高催化活性的肼电氧化催化剂。贵金属催化剂对肼电氧化的催化活性较高,但其高昂的价格及有限的储量限制贵金属催化剂的广泛应用。针对上述问题,本论文制备出几种电催化活性较高、价格适中的负载型金属催化剂并将其用于催化肼电氧化。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及透射电镜(TEM)表征制得的电极材料的表面形貌和物相组成。利用循环伏安、线性扫描、计时电流以及交流阻抗方法,研究了碱性介质中肼在电极上的电氧化行为。利用方波脉冲电沉积法在碳布(CFC)基体表面直接沉积上银粒子,得到碳布负载银(Ag/CFC)电极。通过改变氧化电位、还原电位、沉积频率和沉积时间这四个电沉积参数实现对银粒子形貌的控制。SEM测试表明,银粒子具有微球结构,平均粒径约为200 nm。考察了 Ag/CFC电极对肼电氧化的催化性能,发现Ag/CFC电极对肼电氧化反应表现出较高的催化活性。Ag/CFC电极上肼的氧化峰电位和氧化峰电流密度分别为-0.2 V和30 mA·cm-2。同时研究了肼在Ag/CFC电极上电氧化反应动力学,研究结果表明,肼的电氧化反应是一个完全不可逆过程并且受扩散控制。肼的电氧化反应是4电子转移过程,并且相对于肼为一级反应。温度升高对肼在Ag/CFC电极上的电氧化是有利的,但胼电氧化反应机理不随温度改变而改变。肼在Ag/CFC电极上电氧化在较正的电位下更容易发生,可能与较正电位下催化剂表面产生AgOHads有关。利用方波脉冲电沉积法将钴粒子直接沉积到碳布上,得到碳布负载钴(Co/CFC)电极。经SEM测试表明,Co粒子由钴纳米片和钻微粒子组成,钻纳米片和钻微粒子相互交叠在一起。钴纳米片的厚度约为250 nm。钻微粒子的尺寸约为10 μm。测试了 Co/CFC电极催化肼电氧化性能,发现Co/CFC电极上肼的起始氧化电位低至-1.1 V,在-0.87 V和-0.75 V处各出现一个氧化峰,分别对应于肼化学分解产生氢气的氧化和肼直接电氧化,表明肼在Co/CFC电极上发生电氧化是通过直接途径和间接途径进行的。动力学研究表明:Co/CFC电极上肼的电氧化反应是一个完全不可逆过程并且受扩散控制,相对于肼为一级反应。利用氢气动态模板电沉积法在泡沫铜基体上直接沉积一层三维多孔铜膜,制得泡沫铜负载铜(Cu/Cu foam)电极。SEM表征表明,铜膜孔径约为80～150μm。铜膜孔壁的平均厚度约为40 μm,铜膜的孔壁由相互连接的松枝状枝晶组成。单个枝晶由长度约为几百纳米～几微米的枝权组成。考察了 Cu/Cu foam电极对肼电氧化的催化性能,发现与Cu foam相比,肼在Cu/Cu foam电极上的起始氧化电位负移约100 mV。-0.6 V电位下的电流密度为37.5 mA·cm-2,比泡沫铜高出近14倍。肼电氧化反应的活化能和电荷传递电阻显著降低,表明Cu/Cu foam电极有效地降低了肼电氧化的过电位,使肼电氧化反应更易发生。Cu/Cu foam电极催化肼电氧化性能明显优于Cu foam。另外,肼在Cu/Cu foam电极上电氧化反应遵循四电子途径,表明肼在Cu/Cu foam电极上发生近完全氧化反应,肼燃料的利用率较高。利用化学还原法制备出一系列不同Pd-Co质量比的Pd-Co/MWCNTs催化剂。研究了不同Pd-Co质量比的Pd-Co/MWCNTs催化剂催化肼电氧化性能,发现Pd-Co质量比1:1时,Pd-Co(1:1)/MWCNTs催化剂对肼电氧化的催化活性最高,其电催化活性明显优于Pd/MWCNTs催化剂和Co/MWCNTs催化剂,这主要归因于Pd-Co(1:1)/MWCNTs催化剂较大的电化学活性面积。Pd-Co(1:1)/MWCNTs催化剂上肼电氧化反应的电子转移数为4,说明肼燃料的利用率较高。
【图文】：

燃料电池汽车,丰田

燃料电池汽车的新时代，韩国现代Ｔｕｃｓｏｎ邋ＦＣＶ和日本丰田Ｍｉｒａｉ两种车型投入批逡逑量生产并已投放市场。现代Ｔｕｃｓｏｎ邋ＦＣＶ和日本丰田Ｍｉｒａｉ燃料电池汽车的最大输逡逑出功率分别可达１00邋ｋＷ和１１４邋ｋＷ，续航里程分别为４２６公里和４８３公里。图１．１逡逑为日本丰田Ｍｉｒａｉ燃料电池汽车构造。该车采用氢气为燃料，用碳纤维材质的高压逡逑储氢罐储存氢气。在电极催化剂的作用下，氢气与氧化剂氧气发生电化学反应产逡逑生电能，产物只有环境友好的水。虽然氢燃料电池汽车不产生温室效应气体，，基逡逑本实现零排放。但燃料电池汽车及其配套设施（如加氢站）还处于发展的初期阶段，逡逑要想真正实现商业化，还有一段很长的路要走［１１］。逡逑动力控制装置逦电机逦ｍｍ逡逑图１．１丰田Ｍｉｒａｉ燃料电池汽车构造逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｍｉｒａｉ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ邋ｖｅｈｉｃｌｅ

示意图,氢氧燃料电池,酸性,工作原理

如０２）在阴极上发生还原反应，燃料（比如Ｈ２）在阳极上发生氧化反应，电解质起传输离逡逑子以及分隔阳极和阴极的作用。接下来，以结构简单的酸性氢氧燃料电池为例，对燃料逡逑电池的工作原理作一简单介绍。如图１．２所示，阳极上，燃料氢气发生氧化反应生成Ｈ＋逡逑和ｅ％邋Ｈ＋通过电解质到达阴极，ｅ？通过外部电路到达阴极。氧气、从阳极传输过来的Ｈ＋逡逑和ｅ？在阴极上发生还原反应生成唯一的产物水［１２］。阳极反应、阴极反应和电池反应表示逡逑如下：逡逑阳极：逦Ｈ２４２Ｈ＋＋２ｅ－逦（１－１）逡逑阴极：逦ｌ／２０２＋２Ｈ＋＋２ｅ－４Ｈ２０逦（１－２）逡逑总反应：ｌ／２０２邋＋邋Ｈ２—Ｈ２０逦（１－３）逡逑燃料电池的工作方式与传统意义上的电池有所区别，电池每次输出的电能有限。而逡逑燃料电池自身并不贮存能量，只是一种能量转换装置，它将燃料（比如氢气）和氧化剂（比逡逑如氧气）发生电化学反应产生的化学能直接转换为电能，同时产生副产物水。通过燃料逡逑和氧化剂源源不断地输入，将化学能转化为电能，燃料电池就能够持续地提供电能。传逡逑统热机发电首先通过燃烧将燃料的化学能转换为热能，热能通过热机转换为机械能，机逡逑械能最终转换为电能。发电过程经历的热能一机械能一电能的每步转换都会导致一定的逡逑能量损失。特别是热能转变为机械能受卡诺循环的限制，造成发电效率的降低［１３，１４］。与逡逑传统热机相比
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TM911.4

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