直接過氧化氫燃料電池(DPPFC)是一種以H_2O_2作為燃料和氧化劑的新型液態(tài)燃料電池,使得DPPFC可于無氧環(huán)境下工作(作為空間和水下電源)。本論文針對直接過氧化氫燃料電池的催化電極開展研究,設(shè)計制備了一系列催化電極,分別研究了其催化H_2O_2在酸中電還原(陰極反應(yīng))和堿中電氧化(陽極反應(yīng))的活性和穩(wěn)定性,考察了其構(gòu)成的DPPFC的性能。利用簡單的無模板法制備出了泡沫鎳(Ni-foam)支撐的鈷酸鎳(NiCo_2O_4)納米電極,研究了NiCo_2O_4/Ni-foam電極的電催化性能。XRD等表征結(jié)果表明,NiCo_2O_4/Ni-foam電極為具有尖晶石結(jié)構(gòu)的納米線陣列結(jié)構(gòu),單根納米線粗細均勻,長度約為800~900 nm,直徑約為50~100 nm,由許多直徑約為10~15 nm的納米顆粒組成,并且在納米線上存在大量平均粒徑約為2~7 nm的不規(guī)則孔。所制備的多孔NiCo_2O_4/Ni-foam電極對H_2O_2電還原和電氧化反應(yīng)都具有較高的催化活性和良好的穩(wěn)定性。在3.0 mol?L~(-1)KOH+0.4 mol?L~(-1)H_2O_2溶液中,-0.4 V時的還原電流密度為190 mA?cm~(-2),遠大于NiCo_2O_4粉末涂覆電極所能達到的79 mA?cm~(-2),在0.3 V時的氧化電流密度達到462 mA?cm~(-2)。以NiCo_2O_4/Ni-foam為陽極和以Pd/CFC為陰極組裝成雙室DPPFC,20℃電池的開路電位可達0.86 V,最大輸出功率為20.1 mW?cm~(-2),高于文獻報道的數(shù)值(14 mW?cm~(-2))。利用共沉淀法制備出了二元普魯士藍類鐵氰化鎳鐵(NiFeHCF)納米粒子催化劑,再將納米粒子涂覆在碳布表面制備出了NiFeHCF/CFC納米電極,TEM和XRD等測試分析表明,制備的NiFeHCF顆粒具有結(jié)晶度較好的面心立方結(jié)構(gòu),平均粒徑為2.57 nm,多孔且均勻地分布在碳布基體的表面上。電化學分析表明,多孔NiFeHCF/CFC電極表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能和良好的穩(wěn)定性能。在0.1 V電位下,電極催化過氧化氫電還原的電流密度為115 mA?cm~(-2),高于文獻報道的納米Au電極的電流密度(40 mA?cm~(-2))。以多孔NiFeHCF(n_(Fe):n_(Ni)=1:1,7 mg?cm~(-2))/CFC電極作為陰極和以Ni/Ni-foam作為陽極組裝成的雙室DPPFC,20℃下電池的開路電壓高達1.09 V,最大功率密度達到36 mW?cm~(-2),是以Pd/CFC電極為陰陽極的電池性能(14.3 mW?cm~(-2))的2.5倍。在40℃下,DPPFC的峰值功率密度達到了63 mW?cm~(-2),這一結(jié)果表明,NiFeHCF納米電極由于其成本低,合成方法簡單,是一種可替代貴金屬的有研究和發(fā)展前景的催化劑。利用共沉淀法制備出了碳布負載的二元普魯士藍類鐵氰化鎳鈷催化劑的電極(NiCoHCF/CFC),經(jīng)過SEM等表征分析得出制備的納米NiCoHCF顆粒平均粒徑為2.44nm,比表面積達到22.1 m~2?g~(-1),具有結(jié)晶度較好的面心立方結(jié)構(gòu)。利用循環(huán)掃描伏安法、線性掃描伏安法和計時電流法分別研究了NiCoHCF/CFC電極對H_2O_2電還原的催化性能,研究表明所制備的納米催化劑NiCoHCF(n_(Ni):n_(Co)=1:1,6 mg?cm~(-2))/CFC對H_2O_2電還原具有較高的電化學活性和良好的穩(wěn)定性。電極在-0.2 V下的還原電流密度達到200mA?cm~(-2)。以NiCoHCF(n _(Ni):n_(Co)=1:1,6 mg?cm~(-2))/CFC電極作為陰極和以Ni/Ni-foam作為陽極組裝成的雙室DPPFC,在20℃下電池的開路電壓高達1.07 V,最大功率密度達到43 mW?cm~(-2)。通過共沉淀法制備出了碳布負載的三元普魯士藍類鐵氰化鐵鎳鈷催化劑的電極(FeNiCoHCF/CFC)。通過SEM和XRD等分析發(fā)現(xiàn),當n_(Fe):n_(Ni):n_(Co)=1:1:1、2:1:1、1:2:1和1:1:2時,FeNiCoHCF的平均粒徑分別為15.05 nm、10.39 nm、12.8 nm和16.62 nm,都具有結(jié)晶度較好的面心立方結(jié)構(gòu)。利用循環(huán)掃描伏安法、線性掃描伏安法和計時電流法對Fe、Ni、Co的相對含量與催化過氧化氫電還原的電化學性能之間的關(guān)系進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著Ni在催化劑中的質(zhì)量百分含量的增加,催化電極對過氧化氫電還原反應(yīng)的催化活性提高,FeNiCoHCF(n _(Fe):n_(Ni):n_(Co)=1:2:1,6 mg?cm~(-2))/CFC電極具有最優(yōu)的催化過氧化氫電還原活性,當電極電勢為-0.2V時,還原電流密度為209 mA?cm~(-2)。以Ni/Ni-foam為陽極和以多孔FeNiCoHCF(n_(Fe):n_(Ni):n_(Co)=1:2:1,6 mg?cm~(-2))/CFC電極為陰極組裝成的雙室DPPFC,在20℃電池的開路電壓達1.06 V,峰值功率密度達到了43.4 mW?cm~(-2),對應(yīng)的電流密度為100.4 mA?cm~(-2),電池電壓為0.42 V。使用普魯士藍類FeNiCoHCF/CFC電極有助于降低DPPFC燃料電池的成本,并提高其性能。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM911.4
【部分圖文】：

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哈爾濱工程大學博士學位論文工作原理.2)由陽極(氧化反應(yīng)發(fā)生的區(qū)域)、陰極(還原反應(yīng)帶離子)組成�？梢圆唤�(jīng)過燃燒，直接以化學反化學能轉(zhuǎn)化成為電能。陰極電子流入，氧化劑發(fā)氧化反應(yīng)。電解質(zhì)在陰陽極之間將氧化劑與燃子傳導的作用。燃料電池與普通電池存在差異，性物質(zhì)而只是電催化和集流的轉(zhuǎn)換元件，同時也有很大容量的開放體系，活性物質(zhì)存儲于電池斷的輸送就能持續(xù)發(fā)電。

哈爾濱工程大學博士學位論文、大小均勻、具有面心立方結(jié)構(gòu)的納米六氰合鐵酸鈷(CoHC液的 pH 對粒徑分布、晶體結(jié)構(gòu)、紅外光譜的影響。該方法對實驗設(shè)備和條件的要求低，所制備的普魯士藍類催化劑勻。根據(jù)之前的報道，將普魯士藍類催化劑用于過氧化氫電藍的尺寸和形貌[219,220]。近年來，各種形貌的 PB 和 PBA(如體、微米立方體和介孔結(jié)構(gòu)被成功制備[221-230]。Mann 等人利用米立方體。這些立方體可以自發(fā)形成超晶格。Cao 等人利用(100)晶面覆蓋的 PB 亞微米立方體 。Yang 等利用水熱法，大全三價 Fe 的柏林綠。電極表面的 PB 薄膜是一種對 H2O2電物質(zhì)。因此，普魯士藍類化合物是一種有前景的 H2O2電還

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