碳基纳米复合材料在直接醇类燃料电池的应用
发布时间：2021-02-02 18:04
燃料电池具有高能量效率以及对环境友好,能有效缓解能源短缺和环境污染等问题。特别是直接醇类燃料电池（DAFCs）是一种高效、清洁的可直接简单获得电能的装置,因此引起了越来越广泛的关注。乙醇具有无毒、便于储存和运输以及高体积能量密度等优点。同样,甘油是生产生物柴油的副产品,来源广泛、高沸点、无毒性以及高能量密度等优点。无论是乙醇燃料电池还是丙三醇燃料电池都有望应用于燃料电池以解决目前的能源问题。然而,醇类燃料电池依然存在各种反应中间体阻碍电池反应的进行,降低电池效能。因此需要开发稳定、催化活性高的催化剂,以提高电池的效能。本文具体的研究内容如下:（1）以荔枝皮为碳源,经过KOH以及CoCl2的活化处理,制备出多孔生物质碳材料（A-MC-LCR）并将其应用于乙醇燃料电池中。实验表明制备所得的Pd/A-MC-LCR催化剂展现出优异的乙醇电氧化活性,起峰电位都为-0.63 V且在-0.33 V则出现峰值电流且电流密度达到84.8 mA cm-2。在-0.3 V下经过30 min的计时电流测定,其电流密度为8.8 mA cm-2是P...
【文章来源】：广州大学广东省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理图
碳基纳米复合材料在直接醇类燃料电池的应用7由于甲醇转化H2的装置结构复杂，经过这一转化过程燃料电池整体系统的运行效率被大幅降低。直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料的燃料电池。与传统氢氧燃料电池相比，甲醇燃料电池的电化学活性较低，但在实际应用中却具有明显的优势。在直接甲醇燃料电池中，燃料甲醇直接在电极上发生氧化反应，此电池可直接将化学能转化为电能，无需经过甲醇重整制氢的复杂过程。同时由于燃料甲醇来源广泛和便于储存运输、电池结构简单等优点，甲醇燃料电池成为研究热点[23,24]。直接甲醇燃料电池分别由阳极甲醇、阴极氧气和质子交换膜三部分构成。在电极方面，阴阳两极由催化层与扩散层组成。催化层是发生电化学反应的地方，最为常见的阳极和阴极催化剂分别是Pt/C和PtRu/C催化剂。扩散层作用是传导反应收集电流以及支撑催化层，一般由导电性好和比表面积大的多孔或三维材料制成，以往常用经修饰的导电碳粉或碳布。而在发现石墨烯后，石墨烯用作扩散层材料成为研究热点。另外，掺杂杂原子的碳材料也被用作扩散层材料。在质子交换膜方面，常用全氟磺酸高分子作为质子交换膜。此前酸性甲醇燃料电池是研究的热点，但电池中的酸性电解质会造成水质、土壤污染等问题，因此常以碱性醇类燃料电池作为研究对象。直接甲醇燃料电池的工作原理如图1-2，在阳极甲醇被氧化为CO2和H+，H+穿过质子交换与阴极的O2反应[25]。图1-2直接甲醇燃料电池工作原理Fig.1-2Workingprincipleofdirectmethanolfuelcell在酸性电解质下，甲醇燃料电池反应方程式如下：阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(1-7)
碳基纳米复合材料在直接醇类燃料电池的应用8阴极：3/2O2+6H++6e-→3H2O(1-8)总反应方程式：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O(1-9)在碱性电解质下，甲醇燃料电池反应方程式如下：阳极：2CH3OH+16OH-→2CO32-+12H2O+12e-(1-10)阴极：3O2+6H2O+12e-→12OH-(1-11)总反应方程式：2CH3OH+3O2+4OH-→2CO32-+6H2O(1-12)1.3.2直接甲醇燃料电池的不足直接甲醇燃料电池虽然存在许多优点，但在实际应用上还存在着许多不足。一方面是甲醇的氧化速率较慢[26]，根据反映方程式，一分子的甲醇完全氧化的过程理论上是需要转移6个电子。而实际上，在多电子转移的情况下，难以进行完全氧化反应，一般会产生各种中间产物，如：甲醛、甲酸以及类CO化合物。这些中间产物，特别是类CO化合物，容易吸附在电极表面，占据反应物与催化剂的反应位点，降低催化剂的有效催化率，从而影响电化学反应的进行。根据Carrette[27]等人的研究，甲醇完全氧化经过以下反应过程，如图1-3。图1-3甲醇氧化的历程Fig.1-3TheProcessofMethanolOxidation由图可知，甲醇氧化有多种反应路径，经过各种反应步骤，因而在此过程中CO的产生是难以避免的，同时经过检测发现在实际反应确有CO生成。当温度大于60℃时，甲醇氧化过程中产生的类CO化合物会与吸附在催化剂上的羟基进行反应[28]，反应方程式如下：COads+Pt-OHads→Pt-COOH(1-13)COads的存在阻碍着甲醇进一步的氧化，因而实际反应过程中，甲醇需要更
本文编号：3015139
【文章来源】：广州大学广东省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理图
碳基纳米复合材料在直接醇类燃料电池的应用7由于甲醇转化H2的装置结构复杂，经过这一转化过程燃料电池整体系统的运行效率被大幅降低。直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料的燃料电池。与传统氢氧燃料电池相比，甲醇燃料电池的电化学活性较低，但在实际应用中却具有明显的优势。在直接甲醇燃料电池中，燃料甲醇直接在电极上发生氧化反应，此电池可直接将化学能转化为电能，无需经过甲醇重整制氢的复杂过程。同时由于燃料甲醇来源广泛和便于储存运输、电池结构简单等优点，甲醇燃料电池成为研究热点[23,24]。直接甲醇燃料电池分别由阳极甲醇、阴极氧气和质子交换膜三部分构成。在电极方面，阴阳两极由催化层与扩散层组成。催化层是发生电化学反应的地方，最为常见的阳极和阴极催化剂分别是Pt/C和PtRu/C催化剂。扩散层作用是传导反应收集电流以及支撑催化层，一般由导电性好和比表面积大的多孔或三维材料制成，以往常用经修饰的导电碳粉或碳布。而在发现石墨烯后，石墨烯用作扩散层材料成为研究热点。另外，掺杂杂原子的碳材料也被用作扩散层材料。在质子交换膜方面，常用全氟磺酸高分子作为质子交换膜。此前酸性甲醇燃料电池是研究的热点，但电池中的酸性电解质会造成水质、土壤污染等问题，因此常以碱性醇类燃料电池作为研究对象。直接甲醇燃料电池的工作原理如图1-2，在阳极甲醇被氧化为CO2和H+，H+穿过质子交换与阴极的O2反应[25]。图1-2直接甲醇燃料电池工作原理Fig.1-2Workingprincipleofdirectmethanolfuelcell在酸性电解质下，甲醇燃料电池反应方程式如下：阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(1-7)
碳基纳米复合材料在直接醇类燃料电池的应用8阴极：3/2O2+6H++6e-→3H2O(1-8)总反应方程式：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O(1-9)在碱性电解质下，甲醇燃料电池反应方程式如下：阳极：2CH3OH+16OH-→2CO32-+12H2O+12e-(1-10)阴极：3O2+6H2O+12e-→12OH-(1-11)总反应方程式：2CH3OH+3O2+4OH-→2CO32-+6H2O(1-12)1.3.2直接甲醇燃料电池的不足直接甲醇燃料电池虽然存在许多优点，但在实际应用上还存在着许多不足。一方面是甲醇的氧化速率较慢[26]，根据反映方程式，一分子的甲醇完全氧化的过程理论上是需要转移6个电子。而实际上，在多电子转移的情况下，难以进行完全氧化反应，一般会产生各种中间产物，如：甲醛、甲酸以及类CO化合物。这些中间产物，特别是类CO化合物，容易吸附在电极表面，占据反应物与催化剂的反应位点，降低催化剂的有效催化率，从而影响电化学反应的进行。根据Carrette[27]等人的研究，甲醇完全氧化经过以下反应过程，如图1-3。图1-3甲醇氧化的历程Fig.1-3TheProcessofMethanolOxidation由图可知，甲醇氧化有多种反应路径，经过各种反应步骤，因而在此过程中CO的产生是难以避免的，同时经过检测发现在实际反应确有CO生成。当温度大于60℃时，甲醇氧化过程中产生的类CO化合物会与吸附在催化剂上的羟基进行反应[28]，反应方程式如下：COads+Pt-OHads→Pt-COOH(1-13)COads的存在阻碍着甲醇进一步的氧化，因而实际反应过程中，甲醇需要更
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