【摘要】：乙醇是一種無毒害、可再生的化學(xué)原材料,并且相較于傳統(tǒng)的汽油燃料和氫氣,其能量密度也更大,更符合現(xiàn)代社會對新能源的要求。此外,由于控制酒駕的必要性,對微量乙醇的探測在近年來也掀起了一番研究熱潮。本文采用新型液流沉積技術(shù)以宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(MECN)為載體來制備三維乙醇電催化電極,并探究其應(yīng)用于直接乙醇燃料電池(DEFCs)和乙醇電化學(xué)傳感器方面的性能。主要工作如下:首先利用微納機電系統(tǒng)(MEMS)制備硅微通道板(Si-MCP),其三維多孔結(jié)構(gòu)為電極提供了極大的表面積增益。然后,用液流沉積技術(shù)依次將鎳、鈀納米粒子沉積到Si-MCP的外表面和孔道內(nèi)壁分別制成MECN和鈀修飾三維電極(Pd/MECN)。最后,對電極實施快速熱處理(RTP)操作,使鈀、鎳鍍層結(jié)合更緊密并在界面處形成鈀鎳合金。為了突出液流沉積對電極性能的影響,實驗中還分別采用真空無電鍍和電鍍法制備出電極樣品以作參照。形貌與結(jié)構(gòu)表征顯示,液流沉積可以改善鍍層的均勻性、致密性和覆蓋性從而使電極上可參與電化學(xué)反應(yīng)的面積更大。同時,液流沉積制備的樣品退火后形成的鈀-鎳合金度也更高,有利于電極的電催化活性。在堿性燃料電池環(huán)境中對Pd/MECN電極進行一系列電化學(xué)測試,結(jié)果顯示,液流沉積的樣品對乙醇的電催化活性最強,乙醇氧化峰峰值電流密度可達553mA/cm~2,分別是真空無電鍍和電鍍制成樣品電催化電流密度的3.5倍和34.5倍;同時它的電化學(xué)運行穩(wěn)定性也最為優(yōu)良,在工作環(huán)境下連續(xù)掃描13小時后對乙醇的電催化性能降級很小。文中還對基于Pd/MECN電極的DEFCs濃度(包括電解液濃度和乙醇濃度)的最優(yōu)值進行了提取并分析了相應(yīng)的動力學(xué)機制,結(jié)果表明,當(dāng)堿性電解液濃度與乙醇濃度相當(dāng)時,乙醇的電氧化效率最高。此外,將液流沉積制成的Pd/MECN電極應(yīng)用于乙醇電化學(xué)傳感器,其性能也很優(yōu)良。其中,傳感器的探測靈敏度為0.85 mA/mM/cm~2,遠遠高于其參照樣品。長時間的循環(huán)伏安測試后,傳感器的探測電流密度平均每圈僅下降0.038%,表明液流沉積對傳感器的穩(wěn)定性也有所改善。最后通過電化學(xué)阻抗譜(EIS)和交流阻抗(Z-V)測試對探測電極表面電化學(xué)行為進行分析,定性且定量地證明了液流沉積能夠使三維電極表面的催化活性位點更加豐富。因此,以上的表征結(jié)果和優(yōu)良性能使得液流沉積的Pd/MECN電極在DEFCs及乙醇電化學(xué)傳感器領(lǐng)域都具有很高的應(yīng)用價值。
【圖文】：

(1-5(1-6(1-7圖 1.1 也可以清晰形象地描述出鈀表面乙醇電催化氧化的全過程以及相應(yīng)的動力學(xué)機制。從圖中可以看出，整個過程主要分為五個步驟：分子從本體溶液到催化劑表面的質(zhì)量輸運過程、乙醇分子和氫氧根粒子的吸附過程、EOR 過程、產(chǎn)物的解吸附過程以及最后的分子擴散回本體溶液的過程。起初，，中間產(chǎn)物吸附在電極表面，占據(jù)了活性位，從而削弱了電極的活性。隨后，中間產(chǎn)物被吸附的氫氧根離子 進一步氧化，形成最終的醋酸根粒子游離在溶液當(dāng)中或者形成 CO2釋放，然而后者發(fā)生需要建立在 C-C 鍵斷裂的基礎(chǔ)上。

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文三維的硅微通道板(Silicion Micro-Channel Plate, Si-MCP)剛好可以滿足此類需求，它是用晶向為(100)的，導(dǎo)電類型為 P 型的 4 英寸硅片經(jīng)過一系列微納機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)(如光刻、光輔助電化學(xué)刻蝕等)制成的[27]。如圖 1.2(a)所示，其中的微通道按照一定規(guī)律排列并且相互平行，這些通道的側(cè)壁要么垂直于Si-MCP 的頂視面要么與其呈一個小角度[28]。如圖 1.2(b)，Si-MCP 的通孔直徑約5μm，孔道長度卻可以達到 200μm 以上，因此可以獲得高深寬比(>40)和極大的表面積增益(>100)[29]。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O646.54

【參考文獻】

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本文編號：2666472