直接甲醇燃料电池阳极催化剂性能

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直接甲醇燃料电池工作原理

直接甲醇燃料电池工作原理

直接甲醇燃料电池工作原理直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种新型的燃料电池,又称为液态燃料电池。

直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料,空气氧气为氧化剂,减少CO和NOx等废气的新型、高效、清洁的能源装置,具有绿色环保、高效利用、易储存、方便携带、快速响应、低噪音、简单制造等优点。

本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的工作原理。

一、基本组成直接甲醇燃料电池(DMFC)是由质子交换膜(PEM)、阳极、阴极和电子导体等基本组成部分组成。

质子交换膜材料通常是聚合物质子交换膜(PEM),阳极和阴极通常采用的是催化剂,电子导体一般采用碳材料。

质子交换膜和催化剂是直接甲醇燃料电池的核心。

二、工作原理1、阳极反应(氧化反应)直接甲醇燃料电池的阳极为负极,是由催化剂铂(Pt)制成。

阳极反应的化学式为:CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-在阳极处,甲醇和水分子在催化剂Pt的作用下,分解成质子(H+)和电子(e-)以及CO2的发生氧化反应,同时产生电子流和离子流。

2、阴极反应(还原反应)直接甲醇燃料电池的阴极为正极,也由催化铂制成。

阴极反应的化学式为:3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O在阴极处,氧气和质子与电子的结合发生还原反应,并生成水,释放出能量。

3、电子导体直接甲醇燃料电池的阳极和阴极之间,通过电子导体(如碳纤维织物)、质子交换膜(PEM)和电解质(如甲醇)实现电子的传递和离子的传递。

由于阳极和阴极之间没有电子流,故需要引入外部电路来完成电子的流动,这样就可以产生用电能。

4、电化学反应在直接甲醇燃料电池中实际上是一种电化学反应,就是将化学能转化为电能和热能的过程。

化学能转化成电能的具体过程为:在阳极上甲醇分子分解出H+和e-,e-通过电子导体外路,到达阴极上发生与氧气还原的反应,质子通过质子交换膜传递到阴极的反应区域与电子结合形成水。

直接甲醇燃料电池阳极催化剂进展中粒径和载体的作用

直接甲醇燃料电池阳极催化剂进展中粒径和载体的作用

电化学 电池是 利用 自然 发生 的氧化 还原 反应 , 经 电化学 电池 的装置将 化 学能转 变为 电能 。燃料 电池 也是
利用可以 自然发生的氧化还原反应 , 将化学能转换为电能 。燃料 电池 的燃料( 甲醇或氢气等物质 ) 在 阳极产 生 氧化 反应 , 在 阴极 则 是氧气 进行 还原 反应 , 只要 燃料源 源不 绝 , 燃料 电池 就 可 以持 续放 电 。 由于燃 料 电池 具 有无噪音、 低污染 、 高效率 、 燃料更换容易以及燃料来 自可再生能源等优点 , 可应用于发电、 汽车以及个人 电子 产品等领域 , 而变得 1 3 益重要 。作为燃料电池 的燃料之一的甲醇 , 以其丰富的来源、 室温下为液体 、 存储和运 输都比氢气容易等优点, 所构成的直接 甲醇燃料电池( D M F C ) , 特别是在商业开发领域 , 对效率高且成本低的 可再生能源 的持续需求在作为可替代燃烧能源的燃料 电池技术上 , 受到越来越多的关注及广泛的应用 - 2 。
D MF C中能 量转 换损 失 主要 来 自阳极 反应 较 慢 和 甲醇燃 料 从 阳极 渗 透 到 阴极 。现 今所 使 用 的 主要 是含 P t 或P t 系金属作 为 有效 的催化 剂 , 在 它们 得到 商 品化 应 用过 程 中 , 有 两个 主 要 的 问题 待解 决 : 提 高 贵金 属 P t
第3 2卷 第 5期
Vo l - 3 2 No . 5
长 春师 范学 院学报 ( 自然 科学版 )
J o u na r l o f C h a n g c h u n N o r ma l U n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e )
6 0・

直接甲醇燃料电池工作原理及特点

直接甲醇燃料电池工作原理及特点

直接甲醇燃料电池工作原理及特点随着环保意识的增强和能源危机的日益严重,燃料电池作为一种全新的能源转换技术,受到了越来越多的关注和研究。

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是其中一种重要的燃料电池类型,具有较高的能量密度、低温度下较高的转化效率、易于使用和储存等优点,已经成为了研究和应用的热点之一。

本文将介绍直接甲醇燃料电池的工作原理及特点。

一、直接甲醇燃料电池的工作原理直接甲醇燃料电池是一种基于氧化还原反应的电化学装置,它将甲醇和氧气直接转化为电能和水,其反应方程式为:CH3OH + 1.5O2 → CO2 + 2H2O + 6e-该反应是在催化剂的作用下进行的。

催化剂通常采用铂、铑等贵金属,可以促进反应的进行,提高转化效率。

甲醇和氧气在电解质中形成离子,通过电解质的离子交换作用,将正负离子分离,形成电流,从而实现了能量的转换。

二、直接甲醇燃料电池的特点1. 高能量密度直接甲醇燃料电池的能量密度较高,可以达到100-150 Wh/kg。

这意味着在同样的质量下,直接甲醇燃料电池可以提供更多的能量,具有更长的工作时间。

因此,它可以被广泛应用于需要高能量密度的领域,如移动电源、航空航天等。

2. 低温度下较高的转化效率直接甲醇燃料电池不需要高温度下才能工作,它的最高工作温度通常在100℃以下。

这意味着它可以快速启动,且不需要复杂的制冷装置。

此外,直接甲醇燃料电池具有较高的转化效率,通常在30%左右,这意味着它可以将更多的化学能转化为电能,从而提高了能源的利用效率。

3. 易于使用和储存直接甲醇燃料电池可以使用液态甲醇作为燃料,甲醇易于存储和携带,可以在任何地方使用。

此外,直接甲醇燃料电池不需要复杂的氢气制备和储存系统,可以直接使用液态甲醇,因此具有更广泛的应用前景。

4. 环保节能直接甲醇燃料电池的反应产物仅为水和二氧化碳,不会产生有害物质,具有极佳的环保性。

此外,直接甲醇燃料电池可以将甲醇的化学能直接转化为电能,不需要通过燃烧等方式进行能量转换,因此具有更高的能源利用效率。

直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题

直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题

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甲醇氧化电催化剂Pt、Ru和PtRu的性能研究

甲醇氧化电催化剂Pt、Ru和PtRu的性能研究

源I。目前 D C使用的电催化剂均为铂基催化剂拉。但甲醇 “ MF l
及其中间产物能使催化剂 中毒 ,继而降低 电池 的稳定性 。甲醇 电催化氧化是一多步骤 、多反应体 的过程 ,迄今为止 ,研究人
员对 甲醇吸附中间物种 的进行了大量 的研 究 l ,并由此提 出多 种 甲醇氧化机理 :如双途径反应机理L、连续反应机理【 、双 9 J l … 途径和连续反应机理共存¨ 、双 功能机理 l 等 。 J 副 在二元催化剂体系 中,PR tu催化剂具有稳定 的抗 CO中毒 能力和较好 的甲醇催化 活性 ,是 目前 电化 学研 究界公认 的活性
Ab ta t t Ru n t aay t frmeh n l lcro iain weeee to h mial e o i da dterc tlt ci ie d sr c:P, ,a dP Ruc tlss o ta o eto xd t r lcrc e c l d p sc vi n
t eee to a ay i o i a in o meh n 1 h lc r c t lt x d t f ta o . c o Ke wo d : i c t a o e e l P R aa y t me h o l cr o ia i n y r s dr t e meh n lu l l; t u c t ls ; f c t a l e to x d t n e o
直接 甲醇燃料电池 ( MF D C)是 以甲醇为燃料 ,通 过 电化 学反应产 生电能的装置 ,并可望成为未来便携式 电子用 品的 电
1 实验部分
11实验装置 .
电化学测试采 用美 国 C ・6 A 电化学工作站在三 电极体 HI 0 6 系的电解池 中进行 。对 电极为铂片 电极 ,参比电极 为饱和甘汞 电极 S E C 。工作 电极 的基体为玻碳 ( C)电极 ( G 直径 5mm,

直接甲醇燃料电池的阳极和阴极催化剂

直接甲醇燃料电池的阳极和阴极催化剂
:9阳极催化剂
"3$ ! 01基 催 化 剂 01催化甲 醇 氧 化 的 反 应 动 力 学 过 程 主 要 包 括
甲醇的吸附'/-] 键 的 活 化' ]" 2的 活 化 和 /2的 氧化%对于纯 01"]" 2的 活 化 过 程 需 要 较 高 电 位"这 限制了纯 01作 为 阳 极 催 化 剂 的 应 用 )$$* ( 同 时" 甲 醇电催化氧化# -2P$ 的中间体# 如 /2]BFC']/]2BFC
尽管直接甲醇燃料电池已得到小规模应用"但 至今没有真正实现大规模商业化"其关键问题在于 阳极和阴极催化剂的成本昂贵以及使用寿命短"因 此发展高效'低廉的 新 型 催 化 剂 成 为 目 前 ,-./研 究的重要方向( 01基 催 化 剂 是 迄 今 为 止"对 阳 极 甲 醇氧化反应# S>1=BJ;K;TIFB1I;J @>BM1I;J" -2P$ 和阴 极氧还原反应# ;THR>J @>FDM1I;J @>BM1I;J" 2PP$ 最有 效的催化剂 )(" 8 )$#* ( 01作为催化剂存在的突出问题 是"为了实现商业化应用所需的催化活性"需要一定 的 01负 载 量"从 而 提 高 了 催 化 剂 的 成 本( 同 时"甲 醇 的 电 化 学 氧 化 过 程 中 容 易 部 分 氧 化" 生 成 /2]BFC']/]2BFC和 /2BFC等反应活 性 中 间 体"使 作 为 阳极催化剂的 01基催化剂中毒 )'* %而 阴 极 甲 醇 渗 透 也会影 响 阴 极 01基催 化 剂 的 活 性"进 而 影 响 ,-./ 的 电 池 效 率( 因 此" 对 01基 催 化 剂 进 行 改 性 和 优 化"降低 01的用 量 和 提 高 催 化 剂 的 催 化 效 率" 具 有 重要的现实意义( 但是"若今后大规模使用燃料电 池"01的低储量 将 不 能 满 足 01的 用 量 的 需 求%由 于 01在地球上的 储 量 非 常 有 限" ,-./发 展 的 根 本 出 路在于开发可以替代铂的'高活性的'低成本的和资 源丰富的催化 剂( 本 文 主 要 从 01基 催 化 剂 和 非 01 催化剂的研究两方面"对直接甲醇燃料电池的阳极 和阴极催化剂最新研究进展进行论述"讨论存在的 问题及对策"并对其未来发展方向进行了展望(

直接甲醇燃料电池催化剂性能测试

直接甲醇燃料电池催化剂性能测试

直接甲醇燃料电池催化剂性能测试直接甲醇燃料电池催化剂主要以Pt 系催化剂为主,再加以单壁碳纳米管为催化剂载体,催化剂有效分散,催化性能提高。

循环伏安法曲线正向扫描的峰电流密度可直接反映甲醇的氧化量及催化剂的电催化活性。

本实验主要针对直接甲醇燃料电池催化剂材料对甲醇氧化的的循环伏安曲线进行测试,了解直接甲醇燃料电池的工作原理及工作特性。

一、实验目的和要求:1.掌握用循环伏安法测定直接甲醇燃料电池催化性能的方法。

2.了解直接甲醇燃料电池的工作原理。

3.了解CHI 电化学工作站的设定方法。

二、测定原理:在电极上施加一个线性扫描电压,以恒定的变化速度扫描,当达到某设定的终止电位时,再反向回归至某一设定的起始电位,循环伏安法电位与时间的关系(见图a )。

若电极反应为O +e ⇔R ,反应前溶液中只含有反应粒子O ,且O 、R 在溶液均可溶,控制扫描起始电势从比体系标准平衡电势正得多的起始电势ϕi 处开始势作正向电扫描,电流响应曲线则如图b 所示。

当电极电势逐渐负移到ϕ平0附近时,O 开始在电极上还原,并有法拉第电流通过。

由于电势越来越负,电极表面反应物O 的浓度逐渐下降,因此向电极表面的流量和电流就增加。

当O 的表面浓度下降到近于零,电流也增加到最大值Ipc ,然后电流逐渐下降。

当电势达到ϕr 后,又改为反向扫描。

随着电极电势逐渐变正,电极附近可氧化的R 粒子的浓度较大,在电势接近并通过ϕ平0时,表面上的电化学平衡应当向着越来越有利于生成R的方向发展。

于是R开始被氧化,并且电流增大到峰值氧化电流Ipa,随后又由于R的显著消耗而引起电流衰降。

整个曲线称为“循环伏安曲线”。

三、仪器药品:电化学工作站一台玻碳工作电极一根Ag/AgCl参比电极一根铂丝电极一根高纯氮气Nafion 117溶液浓硫酸甲醇乙醇四、实验步骤:1. 取制备好的催化剂材料3.8mg分散到1mL乙醇中超声30min。

2. 取催化剂材料的乙醇分散液30μL滴涂到玻碳工作电极表面,静置15min干燥后,再其表面滴涂Nafion117溶液10μL,静置15min干燥,待用。

直接甲酸燃料电池炭载Pd阳极催化剂的稳定性

直接甲酸燃料电池炭载Pd阳极催化剂的稳定性
引起 的 .
关键词
炭载 P 催化剂 ; d 甲酸氧化 ;甲酸分解 ;甲酸浸泡 ;直接 甲酸燃料 电池 04 66 文献标识码 A 文章编号 05 - 9 (0 1 1-6 60 2 10 0 2 1 ) 122 - 7 4
中图分类号
近年来 ,直接 甲酸燃 料 电池 ( F F 越来越 受 到重视 .与直接 甲醇燃 料 电池 相 比,D A C具 有 甲 D A C) FF
Vo . 2 13
21 年 1 01 1月
高 等 学 校 化 学 学 报
C HEMI CAL J OURNAL OF C NES HI E UNI VERSTI I ES
No 1 .1
2 2 2 2 66 6 9
直接 甲酸燃 料 电池 炭 载 P d 阳极 催化 剂 的 稳定 性
44n . m降低到 18a 对 甲酸氧化的电催化活性和稳定性降低 , . m, 甲酸 氧化 的峰 电流密度 由9 3mA c . / m 降低
到 67mA c . / m .这可能是 由 P / d C催化剂 中的 P d在 甲酸 中会有一定的溶解 和 P / d C催 化剂能催化分 解 甲酸
液中浸泡一段时间 , 研究其在浸泡前后 的结构和电催化性能的变化. 发现在甲酸溶液中浸泡后的 P/ dC 催化剂 中 P d粒子 的相对 结 晶度和 平均粒 径都会 发 生 变化 ,对 甲酸氧 化 的 电催化 活 性 和稳 定 性都 会 降
低 , 可能是 由于 P / 这 dC催 化剂 在 甲酸 中会有 一定 的溶解 和 P/ d C催化 剂 能 催 化分 解 甲酸 , 为 探 讨 这 D A C中 P/ FF d C阳极 催 化剂对 甲酸 氧化 的 电催 化稳 定性较 差 的原 因提供一个 新途 径.

甲醇系燃料电池催化阳极研究进展

甲醇系燃料电池催化阳极研究进展

摘要 : 直接碱 性 甲醇燃料 电池 因其 体积 小 、 能量 密 度 大等 优 点 已成 为最 具发 展 前 景 的 燃料 电池 之 一 。传统 的燃 料 电池普 遍 采 用酸 性 电解质 , 由此 带 来 的材 料 腐 蚀 一 直是 电 池 实 际应 用的 瓶
颈, 本文讨论的燃料 电池采用碱性 电解质 , 以阳极为代表 的甲醇电化 学氧化催化剂的选择 可不 再 受只有铂才会表现较高的电催化 活性 的限制。近十年的研究成果表明非铂 的 A ,dM 基催 uP , 化 剂和 钙钛 矿 型稀 土氧化 物均 具 有较理 想 的 甲 醇 阳极催 化 性 能 。 同 时综 述 了阳极催 化 的相 关
进 一 步探索新 型催化 剂 指 明方 向。
1P 基 催 化 剂 t
近年来 人们 , 特别 是 甲醇 在 铂 电极 上 的氧 化 。相对 于 在
膜) 。酸性介质大大地限制 了催化剂使用 , 只有耐
腐 蚀 的贵金 属 可供 选 用 , 只有 铂 表 现 较 高 的 电催 化活性 。采 用碱 性 电解 质 ,催 化 剂 的 活性 可 大 幅 提升 , 催化 剂 的选 择 可 不 再 受 贵 金 属 的 限 制 。但
2 S i c o ee ee U i r t o E g er g, a dn0 6 3 , h a . e eC l g ,H b i n e i f n i e n H na 50 8 C i ) c n l vs y n i n
Absr c : er s ac n e eo me tfra o i aay t n d rc k ie fe el Sr ve d i h s ta t Th e e rh a d d v lp n o n d c c tlssi ie ta a n u lc l i e iwe n ti l l s ppr a e .Th c a it td rmeh n li k l e me i tP d Ptfe u h a e me h n si su y f ta o n a ai d a a ta -re s c s Au,P c o l n n d,Ni e - ,p r o s t xd s ee t c t y t S ito u e I1 i o s ac fn w lcr c t y ti on e u . vki o ie lcr aa ssi n rd c d. 1e am fr e rh o e ee to aa s Sp itd o t e o l e l Ke r s: t a o ;ak ie;dr c u lc l;ee to aay t y wo d me n l l a n h l i tfe el lc rc t s e l

直接甲醇燃料电池(DMFC)改性阳极催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFC)改性阳极催化剂的研究进展
维普资讯
2 0 年 3月 07
工 业 催 化
I DUs RI A L I N T AL C TA YS S
Ma .2 o r O7 V0 . 5 No 3 11 .
第1 5卷 第 3期
直接 甲醇 燃 料 电池 ( MF 改性 D C) 阳极 催 化 剂 的研 究进 展
颜 大志, 祁争健 , 孙岳 明, -东 冯p _
( 南 大学化 工 系, 苏 南 京 209 ) 东 江 106 摘 要: 介绍 了国 内外直接 甲醇燃 料 电池 ( MF 的研 究状 况及 其 工作原 理 , D C) 阐述 了 D C阳极 改 MF
性催 化 剂的作 用机理 , 重点 对 目前 国 内外研 究 的各 种 改性催化 剂体 系进 行 了比较和评 价 , 讨 了电 探
ptruc催化剂的催化活子上发生脱氢反应脱掉与c直接相连的3个氢生性受多种因素影响还原环境对催化剂的性能影响成中间产物ptcoh然后ptcoh在一个pt原子上1933比较显著vandamhe等研究了hptcl还原26形成吸附的choad再在pt原子表面经过重排最2机理认为空气中的o不利于ptcl还原因而热26后形成吸附的coad而加入的第二金属ru由于处理可以提高催化剂合金比程度提高其性能同时其容易吸附含氧物种且具有未充满的d轨道从而还原剂的加入顺序对催化剂性能也有一定影响
D C电解 质 的选 择 可 以 是 碱 性 , K H 和 MF 如 O
NO a H等 , 也可以是酸性 , H S 等, 由于 甲醇 如 O 但 电催化产物 C O 在碱性 溶液 中易生成 溶解 度小的 碳酸盐 , 故一般使用酸性电解质 。理论上 D F M C的 E = .8V, 。 11 能量转换效率为 9 . 8 J 6 6 % 。但实 际 上存 在 因 电池 内部 电阻 引起 的 欧姆 损 失 , 成 造 D F 实际输 出电压远小 于理 想 电池 标准 电压 。 MC 目前 ,MF D C主 要 面 临 甲醇 电 氧化 催 化 剂 活性 不高、 交换电流密度低和阳极氧化中间产物( O a C )d 等对阳极催化剂的毒性作用 , 造成催化剂 中毒失活 , 并 由此产生较大过 电位等难题。因此 , 寻找一种既 有高效 甲醇氧化能 力, 交换 电流密 度至少 大于 使 1 一 ・m 又能减少 中间产物对催化剂 的毒性 , 0 A c ~, 使电池运行千小 时电压 降小 于 l V 的催化剂 0m 成为 D F M C研究 的热 点 。

直接甲醇燃料电池阳极抗CO催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池阳极抗CO催化剂的研究进展
— ・
pa i u c tl s lt m a ay t n
直 接 甲 醇 燃 料 电 池 ( i c ehnlfe cl Dr tm tao u l e , e l
着将 直 接 甲醇燃 料 电池组 应 用到便 携 式产 品 进程 的 加快 , 就要求 D C在室 温 和常压 下使用 , 电催 这 MF 对 化剂 的性 能提 出更 高的要 求 [ 卜引。 作者着 重介 绍 铂 基 合金 催 化 剂 、 铂基 钙 钛 矿类 催 化剂 和非 贵金 属 催 化 剂 开 发这 3方 面 , 点 综 述 重 了 D C中阳极催 化 剂 的研 究进 展 , MF 以期 对 开发 高 活性 甲醇 阳极 氧 化 电催 化 剂有所 帮助 。
Re e c o r s fCa b n o o i l r n t l ss f r Die tM e ha o s ar h Pr g e so r o M n x de To e a t Ca a y t o r c t n lFue l lCel
SUO Chu ua g,ZHAO a u ng,ZHANG ng,LI Xi o i ng n Xiog a Pe U a we ,ZHANG Yuf ng e
(M M e t , abnIstt o eh o g ,H bn eo ga g100 ,C ia E SC ne H ri ntu f c nl y a i,H in i n 50 1 hn ) r ie T o r l i
Ab t a t Th e e ta v n e n CO — tlr n n d lc r c tl ss ic u i g Pt— b s d b sr c : erc n d a c si o e a t a o e e e to a ay t n l d n a e i— c mp — o o

直接甲醇燃料电池催化剂性能的影响因素

直接甲醇燃料电池催化剂性能的影响因素
中 图分 类 号 : 6 3 0 4 文献标识码 : A
Fa t r nfu n i g t e Pe f r a c f Ca a y t n c o sI l e c n h r o m n eo t l ssi Di e t M e h no e ls r c t a lFu lCe l
维普资讯
第2 8卷 第 8期
V0 . 2 1 8 N0.8
催 化 学 报
Ch n s o l a f t ls eeJ u n [o Caay i i s
20 0 7年 8月
A u us 0 g t2 07
文章 编 号 : 2 3 9 3 ( 0 7 0 7 3 月直接甲醇燃料电池催化剂性能的影响因素陈维民一孙公权毛庆一杨少华孙丕昌辛勤初等在这诸多因素中电催化剂的稳定性至关重要曩蓠这方面酶研究融载彳荨了一些进矮剂在电池运行过稷中操作条件的改变会使电催文章编号研究论文中固科学院大连化学物理研究所辽宁大连沈阳埋工大学环境与化工学院辽宁沈期孛藿耪学貔磅究生院毙京摘要考察了温度电位及中间产物等因素对直接甲酵燃料电池催化剂性能的影响结果表明温度的升商会显著促进催化剂粒子的聚缩对于催化剂氧化物水合氧化物对微晶的聚结具有抑制作用高温放电实验后催化剂的合金化程度有所提高高电位会加速电催化剂的降解电极反应中越产物甲酸和早酸对甲醇电催化戴优反应具有一定的耱麓嫠爰其中擎醛豹影穗更大关键词直接甲酵燃料电池电傣化栽性熊衰减溢度电位中图分类号文献标识码
c t l s a tce sa c lr t d a g e e a ur s n o Ru c t ls s hi r c s slr l n bie a ay tp rilswa c ee a e thih t mp r t e ,a d f rPt a ay t ,t sp o e swa a gey i hi t d b u h n u o de / yd o de .The aly n e e fPt a ay t s ee a e o s me e t nta t r t y r t e i m xi s h r xi s l i g d gr e o Ru c t ls s wa lv t d t o x e fe he o ds ha g e ta g e p r t r ic r e ts tahi h tm e a u e.Thede r da in o lc r c t l sswa c ee a e y hi o e ta .The g a to fee to a a y t sa c lr t d b gh p t n i1 me ha l xi to e c i n wa i de e o s m ee e tb n e me a e u h a o m i cd a d f r l hy t no da in r a to sh n r d t o xt n y i t r dit ss c sf r ca i n o made de, o

直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望

直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望

Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2021, 11(2), 66-75Published Online March 2021 in Hans. /journal/hjcethttps:///10.12677/hjcet.2021.112009直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望李贵贤,祁建军,王东亮,周怀荣,王靖靖,李红伟*兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州收稿日期:2021年1月8日;录用日期:2021年2月27日;发布日期:2021年3月5日摘要直接甲醇燃料电池(DMFC)因其具有能量密度高、绿色环保和体积轻便等优势得到广泛关注,其中阳极催化剂活性是决定燃料电池性能、寿命的关键因素。

近年来,研究者围绕提高阳极催化剂性能和降低催化剂成本这两个方面展开研究,推动了DMFC的蓬勃发展。

本文介绍了电催化剂的催化机理及其分类,详细综述了贵金属催化剂和非贵金属催化剂的合成方法,结合当前研究进展对甲醇电催化剂未来的发展趋势进行展望。

关键词直接甲醇燃料电池,贵金属催化剂,非贵金属催化剂Research Progress and Prospect of AnodeCatalysts for Direct Methanol Fuel CellsGuixian Li, Jianjun Qi, Dongliang Wang, Huairong Zhou, Jingjing Wang, Hongwei Li*School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou GansuReceived: Jan. 8th, 2021; accepted: Feb. 27th, 2021; published: Mar. 5th, 2021AbstractDirect methanol fuel cell (DMFC) has attracted wide attention due to its advantages of high energy density, environmental protection, and lightness. Among them, the methanol oxidation electroca-talyst is a key factor that determined the performance, life and cost of fuel cells. In recent years, researchers have carried out a lot of researches on improving the activity of anode catalysts and*通讯作者。

自呼吸式直接甲醇燃料电池的研究

自呼吸式直接甲醇燃料电池的研究

自呼吸式直接甲醇燃料电池的研究林才顺,张红飞,王淑燕,王新东(北京科技大学物理化学系,北京100083)摘要:研制了自呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC )测试装置,阴极和阳极采用石墨板,其流场结构为镂空槽道,阳极板带有小型的甲醇溶液储池。

试验表明,甲醇最佳浓度为115mol/L ,阴极Pt 载量能显著影响电池功率密度,电池性能随着Nafion 溶液含量和电池运行温度的上升而迅速提高,其中电池运行温度对电池性能的影响最大。

在阳极催化剂的用量为4157mg/cm 2、阴极催化剂用量为2118mg/cm 2、甲醇溶液浓度为115mol/L 、电池运行温度45℃和常压时,采用空气自呼吸和甲醇溶液自扩散方式,电池的峰值功率密度达到12172mW/cm 2。

关键词:直接甲醇燃料电池;自呼吸式;电池性能中图分类号:TF911142 文献标识码:A 文章编号:1007-7545(2007)04-0036-03Experimental Study on Air Breathing DMFCL IN Cai 2shun ,ZHAN G Hong 2fei ,WAN G Shu 2yan ,WAN G Xin 2dong(Depart ment of Physical Chemistry ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China )Abstract :A passive and air breat hing direct 2met hanol f uel cell (DM FC )was installed 1U sing grap hite plates ,t he anode and cat hode plates were prepared which flow field configuration was st raight and parallel flow field and it s groove was hollowed 1A met hanol cavity was manufact ured in t he anode plates 1The re 2sult s show t hat t he best met hanol concent ration was 115mol/L ,Pt loading of cat hod can significantly effect power density ,and t he cell performance was increasing when t he temperat ure of cell operating and content of Nafion were increased 1The temperat ure of cell operating is t he most impacting factor 1The peak power density can reach 12172mW/cm 2under t he following conditions :4157mg/cm 2Pt 2Ru catalyst in t he anode ,2118mg/cm 2Pt catalyst in t he cat hode ,115mol/L met hanol solution and ambient air 1K eyw ords :Direct 2met hanol f uel cell (DM FC );Air 2breat hing ;Cell performance基金项目:教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET -04-0103)作者简介:林才顺(1973-),男,湖南桂阳人,博士研究生 直接甲醇燃料电池由于具有低运行温度、比能量密度高、甲醇液体作燃料、不需重整装置而使电池结构简单、安全性好等特点而在便携式电子设备中拥有广阔的应用前景[1-5]。

直接甲醇燃料电池铂基阳极催化剂碳载体发展

直接甲醇燃料电池铂基阳极催化剂碳载体发展

ReerhIsi t r neru tl, e ig1 O 8 ) sac nt uef fro sMeas B in O O 8 t o No j
Ab ta t sr c Ca b n s p o t d Ptb s d p r ils a e mo t o t n u e o lc r c e ia l xd zn t a o , r o u p r e — a e a t e r s fe s d f r ee t o h m c l o i ii g me h n l c y
直接 甲醇 燃料 电池 铂基 阳极 催化 剂碳 载 体发展 / 阳极 催 化 剂碳 载体 发 展
杨 民力
( 京有色金属研究总 院国家有 色金属及 电子材料分析测试 中心 , 北 北京 10 8 ) 0 0 8 摘 要 碳 载铂基材料是最 常用的甲醇电氧化 催化剂 , 而载体对催 化剂 颗粒 的分散 、 活性 以及 耐久性有 着显 著
a d t e s p o t a eo v o si fu n e o h it i u in,c t l s sa d d r b l y o tb s d p ri ls n h u p r sh v b i u n l e c n t ed s r t b o a a y i n u a i t fP - a e a tce .Th a b n i ec r o s p o t e o t d i h ee t d r c n i r t r r r u e n o s v n ca s s u p r sr p re n t e s lc e e e t l e a u e a e g o p d i t e e ls e :Vu c n XC 7 ,h l w p e e r t la - 2 ol o s h r ,o —

DMFC直接甲醇燃料电池简介

DMFC直接甲醇燃料电池简介

直接甲醇燃‎料电池1.1 DMFC 的工作原理‎直接甲醇燃‎料电池(DMFC)是以质子交‎换膜为电解‎质、液态甲醇为‎燃料的一种‎新型燃料电‎池。

如图1.1 所示,它主要由阳‎极、阴极和电解‎质膜三部分‎组成。

DMFC 工作时,甲醇和水的‎混合物经扩‎散层扩散进‎入催化层,在阳极催化‎剂的作用下‎直接发生电‎化学氧化反‎应生成 CO2、6 个电子和 6 个质子。

质子经质子‎交换膜由阳‎极迁移到阴‎极区,而电子经外‎电路做功后‎到达阴极区‎。

氧气(或空气)经扩散层扩‎散进入催化‎层并在阴极‎催化剂的作‎用下与流入‎阴极区的电‎子和质子发‎生电化学反‎应生成水。

电池的总反‎应方程式如‎式1-1 所示,电子在迁移‎过程中经外‎电路做功形‎成回路产生‎了电流,实现了化学‎能到电能的‎转化。

(1)、酸性条件下‎电极反应与‎电池总反应‎方程式为:阳极: CH3OH‎+ H2O‎→‎CO2+ 6H+ + 6e- E10 = 0.046 V阴极: 3/2 O2 + 6H+ + 6e-→3H2O E20 = 1.23 V总反应:CH3OH‎+ 3/2 O2→CO2 + 2H2O E = E20 - E10 =1.18 V (1.1) 从总反应方‎程式可以看‎出,DMFC 中甲醇的化‎学能转化为‎电能的电化‎学反应结果‎与甲醇燃烧‎生成二氧化‎碳和水的反‎应相同。

由于阳极甲‎醇氧化反应‎的可逆电势‎较氢标准电‎势高,因此,DMFC 的标准电势‎较氢氧燃料‎电池更低。

理论计算结‎果表明:DMFC的‎E0=1.183 V,能量转化率‎为 96.68 %,但电池的实‎际工作电压‎远小于此值‎。

当阳极电势‎≥0.046 V(可逆氧化电‎势)时,甲醇将自发‎进行反应;相同地,当阴极≤1.23 V(可逆还原电‎势)时,氧也可以自‎发地发生还‎原反应。

因此,阳极电势比‎0.046 V 高的多而阴‎极电势比1.23 V 低得越多时‎,电极反应速‎度就越快,而此偏离热‎力学电势的‎极化现象使‎得 DMFC 的实际工作‎电压比标准‎电势 E0低。

直接甲醇燃料电池的研究进展及其性能研究

直接甲醇燃料电池的研究进展及其性能研究

直接甲醇燃料电池的研究进展及其性能研究随着新能源技术的不断进步,直接甲醇燃料电池作为一种高效环保的新型电池技术,正逐渐成为新能源领域的研究热点。

本文主要介绍直接甲醇燃料电池研究的历史背景、发展现状和性能研究,以及未来展望。

一、直接甲醇燃料电池的历史背景直接甲醇燃料电池是一种以甲醇为燃料、将化学能直接转化为电能的装置。

早在19世纪末,科学家们就开始研究通过化学反应产生电能的方法,但直到20世纪后期,人们才开始尝试将甲醇作为燃料应用于燃料电池中。

1990年代,直接甲醇燃料电池得到了快速发展,燃料电池的关键零部件-质子交换膜(PEM)以及甲醇氧化催化剂的研究都有了很大的突破。

目前,直接甲醇燃料电池已经进入了实际应用阶段。

二、直接甲醇燃料电池的发展现状目前,直接甲醇燃料电池已经成为新能源领域的研究热点之一。

与传统汽车相比,直接甲醇燃料电池车具有很多优势,如节能环保、零排放、静音、高效率等,被誉为可以替代传统汽车的最佳候选者。

同时,直接甲醇燃料电池还有广泛应用于无人机、充电宝等领域的前景。

三、直接甲醇燃料电池性能研究直接甲醇燃料电池的性能主要由其电池输出功率密度、热效率和稳定性等因素所决定。

为了提升直接甲醇燃料电池的性能,科学家们经过不懈努力,目前取得了一定的成果。

1.电池输出功率密度电池输出功率密度是直接甲醇燃料电池重要性能指标之一。

目前,科学家们通过改善电解质材料、优化电极催化剂等方法,成功提高了电池输出功率密度。

其中,提高电极催化剂活性是最有效的方法之一。

2.热效率热效率指的是直接甲醇燃料电池在工作过程中燃料的化学能转化为电能的效率。

目前,科学家们提高热效率主要通过改善电池内部流动状态、优化氧化催化剂等方法实现。

其中,改善氧化催化剂的选择和制备方式,可以有效提高热效率。

3.稳定性稳定性是影响直接甲醇燃料电池长期稳定稳定性运行的关键性能指标。

目前,科学家们通过改善质子交换膜材料、优化电极催化剂等方法,提高电池的稳定性。

直接甲醇燃料电池研究与应用

直接甲醇燃料电池研究与应用

直接甲醇燃料电池研究与应用直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种以甲醇为燃料的燃料电池,其燃烧产生电能。

DMFC与传统的燃料电池相比,具有更为简便的燃料和更低的操作温度等优点,因此备受研究和应用领域的青睐。

一、直接甲醇燃料电池的原理及构造1、原理DMFC是一种基于甲醇氧化还原反应的燃料电池,可以将甲醇中的化学能转化为电能。

其原理与其他燃料电池类似,即燃料在阳极上进行氧化反应,产生电子和正离子,电子通过外部电路到达阴极,正离子经过电解质膜向阴极迁移,与电子在阴极上复合,释放出能量。

甲醇氧化反应的化学方程式为:CH3OH + 3/2O2→ CO2+2H2O2、构造DMFC由阴极、阳极、电解质和催化剂等部分组成。

其中催化剂被用来加速反应,电解质用来分离阳极和阴极,避免直接接触。

DMFC的构造相对简单,结构紧凑,具有体积小、重量轻等优点。

与传统的燃料电池相比,DMFC采用了更为便捷的燃料,节省了储存系统和输送系统的费用和空间。

二、直接甲醇燃料电池的优点1、方便和简单DMFC的燃料甲醇相对于氢气更为便捷和易于存储。

在氦气储氢要求极高的情况下,储存和输送氢气需要耗费更多的费用和能源。

而燃料为甲醇的DMFC,可以直接使用市场上的甲醇作为燃料,无需储藏和输送氢气。

2、低温操作DMFC的操作温度相比传统的燃料电池较低,只需要在常温下进行。

在操作温度低于100℃的条件下,DMFC具有更加高效和经济的能源转化方式。

3、高效转化由于DMFC能直接利用甲醇进行电能转化,其能源转化效率相对传统的燃料电池更高。

燃料的化学能转化为电能的效率达到了40%~50%,是其他能源转化系统所不能比拟的。

三、直接甲醇燃料电池的应用DMFC的应用领域广泛。

在现代化的能源体系建设中,DMFC被广泛运用于便携式电子设备、家庭燃料电池电源等领域。

1、便携电子设备DMFC可以作为一种高效的电源技术运用于便携式电子设备的电源。

直接甲醇燃料电池的结构

直接甲醇燃料电池的结构

直接甲醇燃料电池的结构1. 引言直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种能够将甲醇直接转化为电能的化学能转换装置。

相比传统的燃料电池,DMFC具有更高的效率和更低的排放。

本文将详细介绍直接甲醇燃料电池的结构和工作原理。

2. DMFC的主要组成部分直接甲醇燃料电池主要由以下几个组成部分构成:2.1 阳极(Anode)阳极是DMFC中起到催化剂作用的关键部分,通常采用铂基催化剂。

阳极上的催化剂能够促使甲醇在氧气存在下发生氧化反应,产生二氧化碳和质子。

2.2 阴极(Cathode)阴极是DMFC中起到还原剂作用的部分,通常采用铂基催化剂。

阴极上的催化剂能够促使氧气与质子发生还原反应,产生水。

2.3 质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)质子交换膜是DMFC中起到隔离阳极和阴极的关键部分,它具有良好的质子传导性能。

常用的质子交换膜材料包括聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)和聚苯乙烯磺酸盐(Polystyrene Sulfonic Acid,PSSA)等。

2.4 甲醇供应系统甲醇供应系统主要由甲醇储存罐、甲醇泵和甲醇喷射器组成。

甲醇从储存罐中被泵送至阳极的催化剂层,在催化剂的作用下发生氧化反应。

2.5 冷却系统直接甲醇燃料电池在工作过程中会产生一定的热量,为了保持电池温度稳定,需要通过冷却系统将余热排出。

3. DMFC的工作原理直接甲醇燃料电池的工作原理如下:1.在阳极上,甲醇被催化剂氧化为二氧化碳、质子和电子:CH3OH + H2O →CO2 + 6H+ + 6e-2.质子可以通过质子交换膜传导到阴极,而电子则通过外部电路流动到阴极。

3.在阴极上,氧气和质子发生还原反应生成水:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O4.外部电路中的电子流动产生电能,供应给外部设备使用。

5.DMFC的副产物为二氧化碳和水,无污染物排放。

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收稿日期:20181018基金项目:国家自然科学基金资助项目(51171118);中国博士后基金资助项目(2016M 601333);辽宁省自然基金资助项目(201602518).作者简介:苏 敏(1996),女,内蒙古赤峰人,沈阳大学硕士研究生;贺春林(1964),男,辽宁葫芦岛人,沈阳大学教授,博士生导师.通讯作者:马国峰(1979),男,辽宁鞍山人,沈阳大学教授,博士.E -m a i l :gu o f m a @163.c o m.第31卷第3期2019年6月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )V o l .31,N o .3J u n .2019文章编号:2095-5456(2019)03-0178-06直接甲醇燃料电池阳极催化剂性能苏 敏,贺春林,马国峰*,鲁志颖(沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044)摘 要:应用单辊甩带的方法制备了C u Z r A l Y 非晶条带催化电极,采用扫描电镜(S E M )以及X 射线衍射(X R D )对不同样品进行表征,通过循环伏安曲线(C V )及计时电流曲线(C A )研究催化剂在甲醇溶液中的催化氧化性能,同时研究了酸腐蚀液浓度㊁腐蚀时间以及腐蚀形貌对催化剂性能的影响.结果表明,未经酸腐蚀的非晶条带对甲醇不具有催化氧化作用,只有经过酸腐蚀的非晶条带才可用作直接醇类燃料电池阳极催化剂.腐蚀液腐蚀后的条带表面会出现不同程度的腐蚀坑,腐蚀坑的形貌随腐蚀参数的变化而改变.关 键 词:甲醇;燃料电池;阳极催化剂;腐蚀液中图分类号:O 643 文献标志码:A近年来,由于直接醇类燃料电池可作为一种能够提供非常高的能量密度的清洁能源而受到人们的重视,尤其在机车动力能源的研究方面[1].甲醇是这类能源中的佼佼者,在有机燃料中拥有着广阔的应用前景.较为突出的特点有成本低,处于电解质溶液时具有较高溶解性,热值相对高于其他醇类,方便运输和便于储存等[23].直接甲醇类燃料是利用甲醇水溶液直接作为燃料,空气作为氧化剂的一种新型燃料电池[4].由于甲醇在室温下为液态,具有很高的能量密度,并且价格便宜,可以直接从石油㊁天然气㊁煤等原料中获取,而不用像间接甲醇燃料电池那样进行燃料重整,使重整设备简单化;此外,在燃料获取过程中能量损耗少,使用效率高[5].然而,对于燃料电池来说,燃料和催化剂对其性能有着非常大的影响,这也就决定了燃料电池除了具有功率密度高㊁操作简单㊁携带方便等特点,还是一种廉价且易获得的能源,但是阳极催化剂与可再生绿色燃料对比来说,使用情况远不及其燃料的使用情况乐观.研究结果表明,尽管直接醇类燃料电池的诸多优良性能使其电行为取得了巨大的飞跃,但对于一些燃料醇来说,自身的性能作用发挥由于一些原因受到了很大的阻碍,例如,在甲醇燃料电池中,影响性能发挥的主要原因是阳极催化剂.在目前对燃料电池阳极催化剂的研究中,主要是贵金属和非贵金属2个系列:贵金属系列阳极催化剂均使用金属P t 或P t 基材料;而非贵金属系列在N i 电极上电催化氧化行为报道较多,如N i -M o 合金(铜基底)㊁N i 钠米线等.但总体而言,非贵金属体系的催化剂在稳定性方面存在很大问题,所以目前多数研究还是集中在P t 基贵金属催化剂的研制上.首先,P t 作为贵金属比其他金属价格昂贵,大大提高了使用成本;其次,甲醇氧化过程中,阳极易被强吸附物质(主要为类C O 物质)污染,使得催化剂中毒,即所谓的P t 中毒现象,所以醇类小分子氧化具有高的电氧化活性和抗氧化中间物毒化的阳极催化剂是必须解决的问题.例如,在现阶段研究中,效果最好的阳极电催化剂是P t -R u 合金,通过P t 和R u 的共同作用,可以降低甲醇的氧化电势,提高电池性能[67].但影响其商业化使用的原因一方面就是金属P t 基催化剂存在的共同问题;另一方面,P t -R u 催化剂的稳定性和活性不能满足甲醇燃料电池长时间运转的要求,原因为在长时间运转过程中,由于中间产物的短时间积累㊁贵金属的流失㊁金属颗粒变大导致催化剂活性位减少;此外,R u化学态的改变也可能导致P t-R u催化剂活性降低,表面氧化物的生成不利于催化剂活性的提高[8].非晶态合金也称金属玻璃或无定型金属,20世纪60年代初,非晶态合金已经制备成功,于20世纪60年代末,连续薄带状非晶合金问世[9].非晶态合金是一种具有良好催化性能的亚稳态材料.在某些方面,其物理化学性能比晶态结构要强,如电阻率高㊁抗腐蚀性能强等.且这种材料选择性高,价格低.随后经大量研究发现这种金属具有以下优点:①非晶态合金其微观结构不同于晶态金属,短程有序㊁长程无序;②非晶合金可以在非常宽的范围内改变其原子配比,从而获得合适催化活性中心,并且催化活性中心均匀分布;③非晶合金是一种亚稳态,拥有高浓度的不饱和中心,较高的表面能,以至于其催化性和选择性都要优于晶态催化材料[10]等㊂因此,非晶态合金可作为一种清洁无污染的催化材料使用,具有广阔的应用前景.在对众多相对已经获得实际应用的块体非晶合金的讨论中,2000年以后发展起来的C u基非晶合金价格更低廉且性能优越.C u基体系的非晶合金中,特别是C u-Z r-A l体系因其高强度㊁高硬度等性能成为极具应用前景的非晶合金材料,并引起众多研究者的关注[1112].本文通过采用不同腐蚀时间㊁腐蚀液浓度等条件控制样品腐蚀情况,选用铜基C u Z r A l Y非晶合金条带代替P t基材料作燃料电池阳极催化剂,在降低成本的前提下解决目前存在的问题,优化其性能. 1实验1.1仪器与药品本实验所使用的实验仪器如表1所示.本实验所使用的实验药品如表2所示.表1实验仪器T a b l e1E x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s实验仪器型号生产公司磁力加热搅拌器C J J78-1金诺机械工程有限公司超声波清洗器K Q3200E昆山市超声仪器有限公司电化学测试系统P A R S T A T2273美国阿美特克分析天平B S224S北京赛多利斯仪器系统有限公司扫描电镜S-4800Π日本日立公司X-射线衍射仪D/m a x-2500P C日本理学株式会社表2实验药品T a b l e2E x p e r i m e n t a l a g e n t s实验药品生产公司氢氟酸H F国药集团化学试剂有限公司甲醇C H3OH沈阳市新化试剂厂氢氧化钠N a OH国药集团化学试剂有限公司无水乙醇C H3C H2OH天津市富宇精细化工有限公司蒸馏水实验室自制1.2实验过程(1)非晶条带的制备.将C u㊁Z r㊁A l㊁Y4种金属(纯度质量分数均大于99%)按照设计的体系进行配比,在氩气保护下通过真空电弧熔炼制得C u Z r A l Y的母合金锭.将熔炼好的母合金锭去氧化皮以后压碎成小块,然后将一定质量的小块合金锭放入下面带小孔(孔直径约1.5mm)的石英管内,最后将石英管放在中频感应线圈中,熔化合金锭后用氩气吹到高速旋转的铜辊上得到C u Z r A l Y非晶条带.铜辊直径为220mm,得到C u Z r A l Y非晶条带的厚度约为30μm.(2)非晶条带的腐蚀.将约3m m宽的长C u Z r A l Y非晶条带裁切成3m mˑ30m m的长方形条带,镊子夹取裁切好的小长方形条带使用无水乙醇清洗,吹风机冷风吹干.将质量分数为40%的氢氟酸溶液分别配置成0.06㊁0.10和0.20m o l㊃L-13种浓度腐蚀液各200m L,用磁力加热搅拌器搅拌均匀.使用3个塑料烧杯取同等量的0.06m o l ㊃L-1的H F氢氟酸腐蚀液,放入裁切好的电极材料,腐蚀活化电极材料,3个烧杯腐蚀液腐蚀时间分别为45㊁60和75s,取出后先置于无水乙醇中超声波清洗3m i n,再置于蒸馏水中超声波清洗4m i n,冷风吹干后编号,装入密封袋密封.0.10和0.20m o l㊃L-1的氢氟酸腐蚀液腐蚀活化电极材料过程重复上述操作,得到9组待测电极材料.(3)电化学测试.取41m L质量分数为99.5%的甲醇,配置成1000m L,1m o l㊃L-1的甲醇溶液,置于磁力加热搅拌器搅拌均匀;取40g 氢氧化钠颗粒,配置成1000m L,1m o l㊃L-1的氢氧化钠溶液,置于磁力加热搅拌器搅拌均匀.取1m o l㊃L-1的甲醇溶液和1m o l㊃L-1的氢氧化钠溶液均匀混合,做电化学测试电解质溶液.采用三电极体系做电化学检测.971第3期苏敏等:直接甲醇燃料电池阳极催化剂性能1.3 实验装置本文使用美国P A R S T A T2273型电化学工作站完成所有的电化学检测,如图1a 所示.实验检测循环伏安曲线(C V )㊁计时电流曲线(C A )均使用三电极体系,如图1b 所示.体系中3个电极分别为工作电极(非晶条带样品),参比电极(饱和氯化钾甘汞电极)和辅助电极(金属铂电极).图1 实验装置F i g .1 E x p e r i m e n t a l f a c i l i t y2 结果与讨论2.1 组织结构表征图2为非晶条带C u Z r A l Y 的X R D 图谱,由X R D 图谱可见一典型非晶的驼峰,没有明显尖锐的峰出现,故实验所用C u Z r A l Y 条带为非晶态.图3为制备完成的C u Z r A l Y 非晶条带样品.图2 C u Z r A l Y 非晶条带的X R D 图谱F i g .2 X R Ds p e c t r ao f C u Z r A l Ya m o r ph o u s r i b b o ns 图3 C u Z r A l Y 非晶条带样品F i g .3 C u Z r A l Ya m o r p h o u s r i b b o n s a m pl e 2.2 反应机理直接甲醇燃料电池(D M F C )工作时可直接将燃料(甲醇水溶液或汽化甲醇与水蒸气的混合物)输送到阳极,甲醇在阳极催化剂作用下发生催化氧化反应生成C O 2和H 2O ,并释放出电子和质子.其中电子经外电路传送至阴极,质子则通过电解质传递至阴极.另外,氧气在阴极催化剂作用下发生还原反应并与质子结合生成H 2O ,同时消耗从外电路传过来的电子,从而最终实现将化学能转化为电能,反应方程式如下:阳极(A n o d e)反应为C H 3OH +H 2ңOC O 2+6H ++6e -,φ1=0.046V .(1)阴极(C a t h o d e)反应为3/2O 2+6H ++ң6e 3H 2O ,φ2=1.23V.(2)电池总反应为C H 3OH +3/2O ң2C O 2+2H 2O ,E 0=φ01-φ02=1.18V.(3)可认为C u Z r A l Y 催化剂的甲醇电氧化过程分为以下步骤: C H 3ңO H+C uCu -C H 3O H ;(4) C u -C H 3ңO H C u -C H 2OH+H ++e -;(5) C u -C H 2ңO H C u -C HO H+H ++e -;(6) ңC u -C HO H C u -C O H+H ++e -;(7) ңC u -C O H C u -C O+H ++e -;(8) M+H 2ңOM-H 2O (M=Z r ㊁A l ㊁Y );(9) M-H 2ңOM-O H+H ++e -;(10) ңM-O H+C u -C OC u +M+C O 2+H ++e -;(11)081沈阳大学学报(自然科学版) 第31卷C u Z r A l Y非晶合金条带中金属Z r㊁A l㊁Y的加入,促进了金属间的协同作用,增加了活性位点,可以使C u更大程度地填充,优化了催化剂活性,同时也可有效地降低催化剂中毒现象.2.3电化学表征当腐蚀液浓度为0.06m o l㊃L-1时,循环伏安曲线如图4a所示,可以看出腐蚀时间为45s时的腐蚀不会对甲醇起到催化氧化作用,腐蚀时间为60和75s时会看到明显的甲醇特征氧化峰,且腐蚀时间为75s时,较早出现甲醇特征氧化峰,循环伏安曲线测得的实验结果与图4b计时电流曲线得到的结论相吻合.腐蚀时间为45s时,整体仅有微小电流密度波动.随腐蚀时间增加到60和75s时,电流密度随之增加且随着时间的增加减小较为缓慢.当电极试样放置于低浓度腐蚀液中时,腐蚀时间适当延长有利于增强非晶电极的催化氧化性能.图4使用0.06m o l㊃L-1氢氟酸腐蚀后,电极试样在1m o l㊃L-1氢氧化钠和1m o l㊃L-1甲醇电解质溶液中的循环伏安曲线图(a)和计时电流曲线图(b)F i g.4C y c l i cv o l t a m m e t r i c c u r v e s(a)a n dc h r o n o a m p e r o m e t r i c c u r v e s(b)o f e l e c t r o d es a m p l e s i n1m o l㊃L-1N a O Ha n d1m o l㊃L-1C H3O He l e c t r o l y t es o l u t i o n s a f t e r c o r r o s i o nw i t h0.06m o l㊃L-1H Fh y d r o f l u o r i ca c i d当腐蚀液浓度增加到0.10m o l㊃L-1时,实验测得的循环伏安曲线如图5a所示,可以看到当腐蚀时间为45和60s时,有明显的甲醇特征氧化峰出现,且随腐蚀时间延长,甲醇特征氧化峰峰值随之增加.随着腐蚀时间延长到75s,甲醇的特征氧化峰逐渐消失,所测循环伏安曲线实验结果与图5b计时电流曲线相吻合.当腐蚀时间为45和60s时,电流密度均较大,且随时间增加电流密度也增加.腐蚀时间为75s时,样品表面基本无电流产生.图5使用0.1m o l㊃L-1氢氟酸腐蚀后,电极试样在1m o l㊃L-1氢氧化钠和1m o l㊃L-1甲醇电解质溶液中的循环伏安曲线图(a)和计时电流曲线图(b)F i g.5C y c l i cv o l t a m m e t r i c c u r v e s(a)a n dc h r o n o a m p e r o m e t r i c c u r v e s(b)o f e l e c t r o d es a m p l e s i n1m o l㊃L-1N a O Ha n d1m o l㊃L-1C H3O He l e c t r o l y t es o l u t i o n s a f t e r c o r r o s i o nw i t h0.1m o l㊃L-1H Fh y d r o f l u o r i ca c i d当腐蚀液浓度继续增加到0.20m o l㊃L-1时,所测得的循环伏安曲线如图6a所示,可以看出当腐蚀液浓度较高,腐蚀时间为45s时,腐蚀会使非晶电极产生较强的催化氧化性能,有明显的甲醇特征氧化峰出现.将腐蚀时间延长到60和75s时,甲醇的特征氧化峰随之消失.循环伏安曲线所测得的实验结果与图6b计时电流曲线相吻合.腐蚀时间为45s时电流密度值较大,腐蚀时间为60和75s时样品表面均无明显电流产生.由电化学曲线可知,当腐蚀液浓度较低时,要提高催化性能需要适当延长腐蚀时间,但是不可无限制延长,若时间过长,会起到相反的影响;同时,腐蚀液浓度过高,腐蚀时间过长也会使得甲醇氧化峰值消失,并且电流密度值下降,电极催化性181第3期苏敏等:直接甲醇燃料电池阳极催化剂性能能受到一定程度的影响.比较得知,当腐蚀液浓度为0.20m o l㊃L-1,腐蚀时间为45s时,甲醇氧化峰值和电流密度最大,这是由于当腐蚀液浓度较高且腐蚀时间恰当时,非晶条带C u Z r A l Y中的C u原子首先与溶液发生反应,被氧化成C u2+,C u2+在和C H3O H反应时,在上述C u Z r A l Y催化剂的甲醇电氧化过程中,式(4)~式(8)步骤中可以置换出2个质子,提高了对甲醇的催化速度以及活性,对C u Z r A l Y非晶条带电极的电催化性能也有了一定程度的提高.图6使用0.2m o l㊃L-1氢氟酸腐蚀后,电极试样在1m o l㊃L-1氢氧化钠和1m o l㊃L-1甲醇电解质溶液中的循环伏安曲线图(a)和计时电流曲线图(b)F i g.6C y c l i cv o l t a m m e t r i c c u r v e s(a)a n dc h r o n o a m p e r o m e t r i c c u r v e s(b)o f e l e c t r o d es a m p l e s i n1m o l㊃L-1N a O Ha n d1m o l㊃L-1C H3O He l e c t r o l y t es o l u t i o n s a f t e r c o r r o s i o nw i t h0.2m o l㊃L-1H Fa c i d2.4形貌表征图7a为未经腐蚀的C u Z r A l Y非晶条带样品的扫描电镜图,可以看出未经过腐蚀液腐蚀的C u Z r A l Y非晶条带电极试样的表面光滑,纹理清晰,有一些平整的凹坑.图7b㊁图7c和图7d均为经过不同的氢氟酸腐蚀液的腐蚀浓度㊁以及腐蚀时间腐蚀后的C u Z r A l Y非晶条带样品的扫描电镜图.图7b为在腐蚀液浓度为0.20m o l㊃L-1,腐蚀时间为45s的腐蚀条件下,腐蚀后的C u Z r A l Y非晶条带电极试样腐蚀形貌图;图7c 为在腐蚀液浓度为0.10m o l㊃L-1,腐蚀时间为75s的腐蚀条件下,腐蚀后的C u Z r A l Y非晶条带电极试样腐蚀形貌图;图7d为在腐蚀液浓度为0.06m o l㊃L-1,腐蚀时间为45s的腐蚀条件下,腐蚀后的C u Z r A l Y非晶条带电极试样腐蚀形貌图.由腐蚀形貌图可见所测得的试样表面均产生图7C u Z r A l Y非晶条带样品的扫描电镜图F i g.7S E M p h o t o s o f C u Z r A l Ya m o r p h o u s r i b b o n s a m p l e s281沈阳大学学报(自然科学版)第31卷腐蚀坑孔洞,但腐蚀情况不尽相同.图7b 中腐蚀坑孔洞主要是延着初始的㊁未腐蚀的C u Z r A l Y 非晶条带电极试样的纹理痕迹,排列整齐且很均匀,大小腐蚀坑孔洞相间排列;图7c 中样品表面分布大量腐蚀坑孔洞,以细小的腐蚀坑孔洞为主,周围也存在些许大孔洞,有多处聚集成为区域片状,腐蚀较为严重;图7d 中腐蚀坑孔洞较为稀疏,并且分布得独立分散,以大腐蚀坑孔洞为主,个别处聚集.由对比可知,当腐蚀液浓度和腐蚀时间较合适时大小腐蚀孔洞均匀相间,规则排列,同时也没有团聚现象和局部团聚现象产生,再进一步结合循环伏安和计时电流的电化学曲线所得的结果分析可知,其也具有较好的电催化氧化效果.3 结 论通过实验可以得出经过酸腐蚀液腐蚀过后的C u Z r A l Y 非晶条带电极材料对甲醇是有显著的催化氧化效果.同时,改变腐蚀液的浓度以及腐蚀时间等条件,可以优化C u Z r A l Y 非晶条带电极对甲醇的催化氧化性能,是由于外界腐蚀条件的不同,使得C u Z r A l Y 非晶条带电极试样表面被腐蚀的程度不同,有利于甲醇的吸收和氧化.在后续的实验过程中,会将研究继续深入,增加改变腐蚀液酸的种类㊁腐蚀温度㊁电解质溶液种类,以及酸碱介质等条件影响的讨论,对C u 基C u Z r A l Y 非晶条带的电催化氧化性做更系统更清楚的认识,尽可能的得出使C u Z r A l Y 非晶条带电极电催化性能达到最好的腐蚀参数以及实验条件.对现阶段燃料电池催化剂研究中存在的问题提供帮助.参考文献:[1]L AMY C ,B E L G S I R E M ,L E G E R J .E l e c t r o c a t a l yt i c o x i d a t i o no fa l i p h a t i ca l c o h o l s :a p pl i c a t i o nt ot h ed i r e c t a l c o h o lf u e l c e l l (D A F C )[J ].J o u r n a l o f a p pl i e d e l e c t r o c h e m i s t r y,2001,31(7):799811.[2]S A N 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fa c i de t c h i n g s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ,c o r r o s i o n t i m e a n d c o r r o s i o nm o r p h o l o g y o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c a t a l y s t sw e r e a l s o s t u d i e d .T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e a m o r p h o u s s t r i p sw i t h o u t a c i d c o r r o s i o n h a v e n o c a t a l yt i c o x i d a t i o n e f f e c t o n m e t h a n o l ,o n l y a m o r p h o u sr i b b o n sw i t ha c i dc o r r o s i o nc a nb eu s e da sa n o d ec a t a l ys t s f o r d i r e c ta l c o h o lf u e lc e l l s .P i t s w i l la p p e a r o n t h e s u r f a c e o ft h e s t r i p af t e rc o r r o s i o n ,a n d t h e m o r p h o l og y o f th e pi t sw i l l c h a n gew i t h t h e c o r r o s i o n p a r a m e t e r s .K e y wo r d s :m e t h a n o l ;f u e l c e l l ;a n o d e c a t a l y s t ;c o r r o s i o n l i q u i d ʌ责任编辑:胡天慧ɔ381第3期 苏 敏等:直接甲醇燃料电池阳极催化剂性能。

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