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

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【摘要】：直接硼氫化物-過(guò)氧化氫燃料電池(DBHFC)是一種常見(jiàn)的低溫質(zhì)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(yáng)極完全氧化能轉(zhuǎn)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(shí)際轉(zhuǎn)移的電子數(shù)小于8。水解會(huì)降低燃料的利用率,生成的H_2還會(huì)帶來(lái)安全隱患。因此,研發(fā)能夠抑制BH_4~-水解并且促進(jìn)BH_4~-氧化的高催化活性的陽(yáng)極催化劑,成為研究DBHFC的關(guān)鍵。貴金屬Au對(duì)BH_4~-的催化氧化作用較高,在特定條件下的庫(kù)倫效率能夠接近100%,然而,作為DBHFC陽(yáng)極催化劑時(shí),Au的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較慢,輸出功率較低,其并不適合單獨(dú)作為催化劑使用。3d過(guò)渡金屬Ni單獨(dú)作為催化劑應(yīng)用于DBHFC時(shí),BH_4~-在其上氧化極化較小,開(kāi)路電位較負(fù),但Ni的性能較差,也不適合單獨(dú)作為DBHFC的陽(yáng)極催化材料。Cu作為另一種3d過(guò)渡金屬,對(duì)BH_4~-的直接氧化有較高的電催化活性,但對(duì)BH_4~-的水解也有明顯的促進(jìn)作用。為了充分發(fā)揮每種金屬的優(yōu)勢(shì),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(chǔ)上,采用合金化的方法,向貴金屬Au中同時(shí)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(xué)行為,深入探究Ni和Cu同時(shí)添加對(duì)BH_4~-電化學(xué)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(yáng)極催化劑。將制備成功的納米催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)運(yùn)用XRD和TEM等進(jìn)行了物理表征,結(jié)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(lái)的一系列納米粒子運(yùn)用循環(huán)伏安(CV)、計(jì)時(shí)電流(CA)、計(jì)時(shí)電位(CP)、線性電勢(shì)掃描(LSV)、交流阻抗(EIS)和電池測(cè)試等一系列電化學(xué)測(cè)試手段對(duì)各種不同納米粒子的BH_4~-電氧化性能進(jìn)行了表征。結(jié)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(duì)于單金屬催化劑Au/C來(lái)說(shuō)有很大的提高。當(dāng)貴金屬Au的含量均為50%的時(shí)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(duì)催化劑活性影響明顯,通過(guò)對(duì)所制備的一系列Au_x Ni_1Cu_1/C催化劑的性能進(jìn)行了比較,其中Au_1Ni_1Cu_1/C的催化活性最好。通過(guò)計(jì)時(shí)電流數(shù)據(jù)計(jì)算得出,在同樣條件下,BH_4~-發(fā)生氧化反應(yīng)在Au_1Ni_1Cu_1/C上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為7.6,比Ni_1Cu_1/C上氧化轉(zhuǎn)移的電子數(shù)要多。溫度為20 o C,用Au_1Ni_1Cu_1/C作為DBHFC陽(yáng)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(duì)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(yīng)或協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致的。(1)電子效應(yīng):在Au中添加Ni和Cu能改變Au的電子能帶結(jié)構(gòu),減小了Au對(duì)反應(yīng)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(yīng)更容易發(fā)生。(2)協(xié)同效應(yīng):從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(duì)Au的共同作用提高了庫(kù)倫效率,并且當(dāng)金屬原子比Au:Ni:Cu=1:1:1的時(shí)候,這種“協(xié)同效應(yīng)”能發(fā)揮最大作用,三元催化劑的電氧化活性達(dá)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(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36;TM911.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1408018