本文關鍵詞：直接硼氫化物燃料電池三元合金AuNiCu陽極催化劑制備及性能研究　出處：《太原理工大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：直接硼氫化物-過氧化氫燃料電池(DBHFC)是一種常見的低溫質子交換膜燃料電池,它所用的燃料是堿性條件下的Na BH4溶液,氧化劑為酸性環(huán)境下的H_2O_2。理論上,BH_4~-在DBHFC陽極完全氧化能轉移的電子數(shù)為8,然而,由于BH_4~-容易發(fā)生水解而釋放出H_2,實際轉移的電子數(shù)小于8。水解會降低燃料的利用率,生成的H_2還會帶來安全隱患。因此,研發(fā)能夠抑制BH_4~-水解并且促進BH_4~-氧化的高催化活性的陽極催化劑,成為研究DBHFC的關鍵。貴金屬Au對BH_4~-的催化氧化作用較高,在特定條件下的庫倫效率能夠接近100%,然而,作為DBHFC陽極催化劑時,Au的反應動力學較慢,輸出功率較低,其并不適合單獨作為催化劑使用。3d過渡金屬Ni單獨作為催化劑應用于DBHFC時,BH_4~-在其上氧化極化較小,開路電位較負,但Ni的性能較差,也不適合單獨作為DBHFC的陽極催化材料。Cu作為另一種3d過渡金屬,對BH_4~-的直接氧化有較高的電催化活性,但對BH_4~-的水解也有明顯的促進作用。為了充分發(fā)揮每種金屬的優(yōu)勢,本課題組前期已經(jīng)研究了BH_4~-在Au Ni、Au Cu催化劑上的電氧化行為,發(fā)現(xiàn)Ni或Cu的加入不僅能明顯提高Au的催化性能而且減少了貴金屬Au的用量。為了改善BH_4~-在Au催化劑上電氧化性能,本文在課題組前期工作的基礎上,采用合金化的方法,向貴金屬Au中同時添加Ni和Cu兩種非貴金屬,研究BH_4~-在三元合金催化劑Au Ni Cu/C上的電化學行為,深入探究Ni和Cu同時添加對BH_4~-電化學氧化行為的影響。首先,本文采用多元醇還原法制備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)納米陽極催化劑。將制備成功的納米催化劑的形貌和結構運用XRD和TEM等進行了物理表征,結果表明:不同比例合金型納米粒子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)納米粒子分散性較好,且粒徑均勻,粒子粒徑均分布在8~17 nm之間。其次,將制備出來的一系列納米粒子運用循環(huán)伏安(CV)、計時電流(CA)、計時電位(CP)、線性電勢掃描(LSV)、交流阻抗(EIS)和電池測試等一系列電化學測試手段對各種不同納米粒子的BH_4~-電氧化性能進行了表征。結果顯示:在所制備的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)催化劑中,三元合金催化劑和雙金屬催化劑的催化活性相對于單金屬催化劑Au/C來說有很大的提高。當貴金屬Au的含量均為50%的時候,三元合金催化劑Au_2Ni_1Cu_1/C有比二元合金催化劑Au_1Cu_1/C和Au_1Ni_1/C更優(yōu)的催化性能。并且Au含量不同對催化劑活性影響明顯,通過對所制備的一系列Au_x Ni_1Cu_1/C催化劑的性能進行了比較,其中Au_1Ni_1Cu_1/C的催化活性最好。通過計時電流數(shù)據(jù)計算得出,在同樣條件下,BH_4~-發(fā)生氧化反應在Au_1Ni_1Cu_1/C上轉移的電子數(shù)為7.6,比Ni_1Cu_1/C上氧化轉移的電子數(shù)要多。溫度為20 o C,用Au_1Ni_1Cu_1/C作為DBHFC陽極催化劑,Pt片(1 cm×1 cm)用作陰極組裝成電池,得到的最大功率密度為68.14 m W cm-2,是相同條件下Ni_1Cu_1/C的8.6倍。本文所制備出的三元合金催化劑Au_x Ni_1Cu_1/C對BH_4~-氧化的催化活性均優(yōu)于雙金屬催化劑Au_1Cu_1/C、Au_1Ni_1/C和單金屬催化劑Au/C,這可能是由電子效應或協(xié)同效應導致的。(1)電子效應:在Au中添加Ni和Cu能改變Au的電子能帶結構,減小了Au對反應中間產(chǎn)物的吸附能,使中間產(chǎn)物如BH_3OH~-更容易吸附在Au的表面,使反應更容易發(fā)生。(2)協(xié)同效應:從本文實驗結果來看,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對Au的共同作用提高了庫倫效率,并且當金屬原子比Au:Ni:Cu=1:1:1的時候,這種“協(xié)同效應”能發(fā)揮最大作用,三元催化劑的電氧化活性達到最佳。
[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 .

【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TM911.4

【參考文獻】

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1 魏建良;王先友;易四勇;戴春嶺;李娜;;直接硼氫化物燃料電池[J];化學進展;2008年09期

2 趙鵬程;謝自立;楊子芹;賀益勝;;直接硼氫燃料電池[J];電源技術;2008年04期

3 鄭學家,鄭吉巖;硼氫化鈉的合成工藝及應用[J];遼寧化工;1999年01期

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3 曹磊;多元醇法制備SOFC陽極材料性能和結構研究[D];大連理工大學;2013年

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本文編號：1408018