直接硼氢化物燃料电池三元合金AuNiCu阳极催化剂制备及性能研究

发布时间：2018-01-11 04:04

本文关键词：直接硼氢化物燃料电池三元合金AuNiCu阳极催化剂制备及性能研究　出处：《太原理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：直接硼氢化物-过氧化氢燃料电池(DBHFC)是一种常见的低温质子交换膜燃料电池,它所用的燃料是碱性条件下的Na BH4溶液,氧化剂为酸性环境下的H_2O_2。理论上,BH_4~-在DBHFC阳极完全氧化能转移的电子数为8,然而,由于BH_4~-容易发生水解而释放出H_2,实际转移的电子数小于8。水解会降低燃料的利用率,生成的H_2还会带来安全隐患。因此,研发能够抑制BH_4~-水解并且促进BH_4~-氧化的高催化活性的阳极催化剂,成为研究DBHFC的关键。贵金属Au对BH_4~-的催化氧化作用较高,在特定条件下的库伦效率能够接近100%,然而,作为DBHFC阳极催化剂时,Au的反应动力学较慢,输出功率较低,其并不适合单独作为催化剂使用。3d过渡金属Ni单独作为催化剂应用于DBHFC时,BH_4~-在其上氧化极化较小,开路电位较负,但Ni的性能较差,也不适合单独作为DBHFC的阳极催化材料。Cu作为另一种3d过渡金属,对BH_4~-的直接氧化有较高的电催化活性,但对BH_4~-的水解也有明显的促进作用。为了充分发挥每种金属的优势,本课题组前期已经研究了BH_4~-在Au Ni、Au Cu催化剂上的电氧化行为,发现Ni或Cu的加入不仅能明显提高Au的催化性能而且减少了贵金属Au的用量。为了改善BH_4~-在Au催化剂上电氧化性能,本文在课题组前期工作的基础上,采用合金化的方法,向贵金属Au中同时添加Ni和Cu两种非贵金属,研究BH_4~-在三元合金催化剂Au Ni Cu/C上的电化学行为,深入探究Ni和Cu同时添加对BH_4~-电化学氧化行为的影响。首先,本文采用多元醇还原法制备了一系列不同比例的合金型Au/C、Au_1Cu_1/C、Au_1Ni_1/C、Au_x Ni_1Cu_1/C(x=0,0.2,0.5,1,1.5,2)纳米阳极催化剂。将制备成功的纳米催化剂的形貌和结构运用XRD和TEM等进行了物理表征,结果表明:不同比例合金型纳米粒子Au/C、Au_1Cu_1/C、Au_1Ni_1/C、Au_x Ni_1Cu_1/C(x=0,0.2,0.5,1,1.5,2)纳米粒子分散性较好,且粒径均匀,粒子粒径均分布在8~17 nm之间。其次,将制备出来的一系列纳米粒子运用循环伏安(CV)、计时电流(CA)、计时电位(CP)、线性电势扫描(LSV)、交流阻抗(EIS)和电池测试等一系列电化学测试手段对各种不同纳米粒子的BH_4~-电氧化性能进行了表征。结果显示:在所制备的Au/C、Au_1Cu_1/C、Au_1Ni_1/C、Au_x Ni_1Cu_1/C(x=0,0.2,0.5,1,1.5,2)催化剂中,三元合金催化剂和双金属催化剂的催化活性相对于单金属催化剂Au/C来说有很大的提高。当贵金属Au的含量均为50%的时候,三元合金催化剂Au_2Ni_1Cu_1/C有比二元合金催化剂Au_1Cu_1/C和Au_1Ni_1/C更优的催化性能。并且Au含量不同对催化剂活性影响明显,通过对所制备的一系列Au_x Ni_1Cu_1/C催化剂的性能进行了比较,其中Au_1Ni_1Cu_1/C的催化活性最好。通过计时电流数据计算得出,在同样条件下,BH_4~-发生氧化反应在Au_1Ni_1Cu_1/C上转移的电子数为7.6,比Ni_1Cu_1/C上氧化转移的电子数要多。温度为20 o C,用Au_1Ni_1Cu_1/C作为DBHFC阳极催化剂,Pt片(1 cm×1 cm)用作阴极组装成电池,得到的最大功率密度为68.14 m W cm-2,是相同条件下Ni_1Cu_1/C的8.6倍。本文所制备出的三元合金催化剂Au_x Ni_1Cu_1/C对BH_4~-氧化的催化活性均优于双金属催化剂Au_1Cu_1/C、Au_1Ni_1/C和单金属催化剂Au/C,这可能是由电子效应或协同效应导致的。(1)电子效应:在Au中添加Ni和Cu能改变Au的电子能带结构,减小了Au对反应中间产物的吸附能,使中间产物如BH_3OH~-更容易吸附在Au的表面,使反应更容易发生。(2)协同效应:从本文实验结果来看,Au_x Ni_1Cu_1/C催化活性要比Au_1Cu_1/C和Au_1Ni_1/C的高,可能是由于Ni和Cu对Au的共同作用提高了库伦效率,并且当金属原子比Au:Ni:Cu=1:1:1的时候,这种“协同效应”能发挥最大作用,三元催化剂的电氧化活性达到最佳。
[Abstract]:The oxidation behavior of BH _ 4 ~ - on Au - Ni and Au - Cu catalysts was investigated . The catalytic activity of Au _ 1Ni _ 1Cu _ 1 / C on Au _ 1Ni _ 1Cu _ 1 / C was better than that of Au _ 1Cu _ 1 / C and Au _ 1Ni _ 1 / C . The results show that the catalytic activity of Au _ 1Ni _ 1Cu _ 1 / C is higher than that of Au _ 1Cu _ 1 / C and Au _ 1Ni _ 1 / C . The results show that the catalytic activity of Au _ 1Ni _ 1Cu _ 1 / C is higher than that of Au _ 1Cu _ 1 / C and Au _ 1Ni _ 1 / C .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TM911.4

【参考文献】