直接甲酸盐燃料电池阳极材料PAIN/Pt的静置化学法制备及其电化学催化作用研究

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聚苯胺是一种著名的质子导电聚合物,因其表面积大、合成简单、成本低、导电性好、机械性能优良、化学稳定性好、易于掺杂和脱掺杂等优点而被广泛用于电极、防腐等材料表面的修饰改性。本文采用静态化学法,以苯胺为原料,硝酸为氢离子掺杂剂,过硫酸铵(Ammonium Peroxydisulfate,APS)或者硝酸银(AgNO3)为氧化剂,在不同静置时间条件下,制备了掺杂态导电聚苯胺(Polyaniline,PANI)。在此基础上采用化学原位聚合法制备了 PANI修饰铂(PANI/Pt)电极,采用循环伏安(CV)法研究了其作为直接甲酸盐燃料电池阳极材料的电化学催化性能。采用标准四探针法测试了 PANI的电导率;利用扫描电子显微镜、傅里叶红外、X-射线衍射以及紫外-可见分光光谱等实验研究方法对PANI的形貌和结构进行了表征。结果表明,苯胺在铂电极表面发生了聚合。但氧化剂种类不同,对产物的形貌和性能影响较大。以APS为氧化剂合成的PANI呈团簇状,以AgNO3为氧化剂合成的PANI呈纤维状。而且,无论以APS还是AgNO3为氧化剂,采用静态化学法合成的PANI/Pt对硫酸溶液中甲酸钠的电化学氧化的催化作用并不显著,但是对氢氧化钠溶液中甲酸钠的电化学氧化有良好的催化作用。本论文进一步以0.1 mol/L氢氧化钠和不同浓度甲酸钠混合溶液为电解液,采用CV法研究了 PANI/Pt电极对此体系甲酸盐的电化学催化氧化作用。实验结果表明,与AgNO3催化合成的PANI/Pt电极对比,以APS为氧化剂合成的PANI/Pt电极对上述体系中甲酸盐氧化的电化学催化作用更强。在此基础上,以APS为催化剂、静置反应时间分别为一周、两周、三周和四周为条件制备了 PANI/Pt电极,并进行了 CV测试。结果表明,静置反应时间直接影响氢氧化钠溶液中PANI/Pt电极对甲酸钠氧化的电化学催化氧化性能。比较而言,时间为一周的PANI/Pt电极,其对甲酸钠氧化的电化学催化效果最佳。在此条件下,适宜的甲酸钠工作浓度区间为3.0 mol/L-5.0 mol/L。甲酸钠的最优工作浓度为3.5 mol/L。在3.5 mol/L甲酸钠与0.1 mol/L氢氧化钠混合溶液中,氧化峰起始电位低于-0.20 V,此电位甚至接近于钯催化甲酸氧化的起始电位。氧化峰电位为0.24 V,峰电流密度可高达90.3 mA/cm2,对电极过程反应机理的初步探索研究结果表明,在上述较宽的工作浓度范围内,PANI/Pt电极对甲酸盐直接氧化过程的电化学催化作用最强,与此同时,经由间接途径的氧化过程受到强烈抑制。
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