直接過氧化氫燃料電池電極材料的制備及性能的研究.pdf

1、過氧化氫(H2O2)是人們熟知的一種由氫和氧元素構(gòu)成的化合物，作為一種氧化劑而廣泛使用。近年來，H2O2被用做一些特殊燃料電池(如金屬半燃料電池、直接硼氫化物燃料電池、直接肼燃料電池等)的氧化劑(H2O2+2H++2e-=2H2O)，替代空氣中的氧氣，從而使得這些燃料電池可于無氧環(huán)境下工作(作為空間和水下電源)。實(shí)際上，H2O2既是氧化劑(電子受體)，還是儲能物質(zhì)(H2O2=H2O+1/2O2,?G=-120 kJ?mol-1)，能夠發(fā)

2、生電氧化反應(yīng)(H2O2=1/2O2+2H++2e-)，因而可以作為燃料電池的燃料(電子供體)。基于此，人們提出利用H2O2即作為燃料又作為氧化劑的新型燃料電池-直接過氧化氫燃料電池(DPPFC)。本論文正是針對這一新型燃料電池的催化電極開展性能和理論的研究。成功制備了一系列具有三維立體開放結(jié)構(gòu)的貴金屬及非貴金屬電極，顯著地提高了H2O2在酸性和堿性溶液中的電催化活性和穩(wěn)定性，以它們作為陰陽極的DPPFC具有較高的電池性能。通過電化學(xué)測試

3、初步探究了H2O2在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。
　　研究了碳布(CFC)負(fù)載的Pd、Au單金屬催化電極，通過電化學(xué)方法制備具有三維立體開放結(jié)構(gòu)的碳布負(fù)載的樹枝狀Pd電極(Pd/CFC)和Au電極(Au/CFC)，經(jīng)TEM和SEM等表征，所制備的電極具有特殊的形貌和結(jié)構(gòu)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)證明樹枝狀的Pd/CFC電極和Au/CFC電極具有很高的電催化活性和穩(wěn)定性，對H2O2電還原和電氧化的催化電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于商業(yè)催化劑。以Pd/CFC電

4、極作為電池的陰陽極構(gòu)成的雙室DPPFC的開路電壓穩(wěn)定在0.9V以上，20?C下峰值功率密度達(dá)14.3 mW?cm-2，60?C下則高達(dá)58.4 mW?cm-2，展現(xiàn)了DPPFC具有極大的發(fā)展空間。H2O2在酸中電還原反應(yīng)(陰極反應(yīng))的極化過電勢顯著大于H2O2在堿中電氧化反應(yīng)(陽極反應(yīng))的極化過電勢，表明H2O2電還原動力學(xué)慢于電氧化反應(yīng)，即DPPFC性能主要由陰極決定。
　　研究了碳布(CFC)負(fù)載的Pd-Au等雙組分復(fù)合催化電

5、極。運(yùn)用方波電勢電沉積法制備出CFC負(fù)載的具有花狀的Au-Pd貴金屬合金納米粒子(Au-Pd/CFC)。通過改變電沉積條件，制備出一系列不同形貌、組成和粒徑的Au-Pd合金納米粒子。對不同組成的合金粒子進(jìn)行電化學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)它們對H2O2在酸性介質(zhì)中的電還原反應(yīng)具有很高的催化活性，且高于同樣載量的貴金屬Pd電極以及商業(yè)Pd/C電極。此外，還運(yùn)用兩步方波電勢電沉積法制備出具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的碳布負(fù)載的貴金屬復(fù)合電極(Au@Pd/CFC)，以

6、其為陰陽極的DPPFC具有很高的電池性能。在20?C下，電池的峰值功率密度高達(dá)20.7 mW?cm-2。
　　由于DPPFC陽極的反應(yīng)動力學(xué)速度明顯快于陰極，為了進(jìn)一步降低電池成本，陽極催化劑可以采用非貴金屬材料。因此，運(yùn)用方波電流電沉積法制備了碳布負(fù)載的Ni、Co納米薄膜電極(Ni/CFC和Co/CFC)，并將它們分別作為陽極與Pd/CFC陰極組成 DPPFC，系統(tǒng)地研究了電池的穩(wěn)定性和不同溫度、不同電解液濃度以及流速對電池性能

7、的影響。結(jié)果表明，非貴金屬材料對H2O2電氧化反應(yīng)表現(xiàn)出非常理想的催化性能。以Pd/CFC電極為陰極，分別以Ni/CFC、Co/CFC和Au/CFC為陽極構(gòu)成雙室DPPFC，其中以Ni/CFC為陽極的電池開路電壓最高，達(dá)到了0.87 V(Au/CFC為0.85 V，Co/CFC為0.83 V)，而對于電池的放電性能而言，此電池也顯示出最高的性能，甚至超過了貴金屬陽極Au/CFC，其最大輸出功率為21.6 mW?cm-2，對應(yīng)的放電電流密

8、度為36 mA?cm-2，電壓為0.6V。這些結(jié)果充分表明，非貴金屬材料完全可以取代貴金屬作為DPPFC的陽極。此外，利用氫氣泡模板輔助電沉積法制備了泡沫鎳負(fù)載的高孔隙率的多孔金屬薄膜電極(Ni/Ni-foam和Co/Ni foam)，并對其表面進(jìn)行貴金屬修飾(Au-和Pd-modified Co/Ni foam)。運(yùn)用循環(huán)伏安(CV)等技術(shù)研究了其對H2O2電氧化反應(yīng)的催化行為。相關(guān)的機(jī)理研究指出，過氧化氫在 Ni表面發(fā)生電氧化反應(yīng)過