【摘 要】
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直接乙醇燃料电池(DEFC)由于其能量密度高、结构简单、燃料易于储运等优点被认为是一类具有前景的能源转换装置。其中,阳极上乙醇氧化反应(EOR)的动力学决定着DEFC的性能,因此,性能优良的阳极催化剂的制备是至关重要的。通常,贵金属(Pt和Pd)及其它们的合金被认为是理想的EOR催化剂。然而,由于贵金属催化剂成本高和易受CO中毒,这大大限制了它们的广泛应用。基于上述情况,开发一种高效、廉价的阳极催
【基金项目】
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国家自然科学面上基金(No.21676258);
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直接乙醇燃料电池(DEFC)由于其能量密度高、结构简单、燃料易于储运等优点被认为是一类具有前景的能源转换装置。其中,阳极上乙醇氧化反应(EOR)的动力学决定着DEFC的性能,因此,性能优良的阳极催化剂的制备是至关重要的。通常,贵金属(Pt和Pd)及其它们的合金被认为是理想的EOR催化剂。然而,由于贵金属催化剂成本高和易受CO中毒,这大大限制了它们的广泛应用。基于上述情况,开发一种高效、廉价的阳极催化剂是提高EOR动力学的关键。近年来,由于CP(Complex,简称CP)具有丰富的未配位金属活性位点、结构可修饰性和稳定性好等优点,研究者们普遍认为CP及其复合物在电化学中具有广阔的应用前景。在本论文中,首先,在水热条件下构筑了镍基配合物。其次,对镍基配合物进行后修饰处理构筑了不同的催化剂。最后,对制备的催化剂进行了结构表征,同时,对制备的复合物用作阳极催化剂系统考察了其电化学性能及催化乙醇氧化性能。论文的主要内容和结果如下:(1)以镍基配合物为前驱体,经煅烧法制备了镍基复合物(NNC),然后,与Mo S2复合制备了NNC-Mo S2催化剂。同时,考察了煅烧温度和Mo S2掺杂量对NNC-Mo S2催化剂性能的影响。电化学测试表明,最优NNC-Mo S2复合物具有极好的催化性能,这归于NNC-Mo S2催化剂的较高电化学活性表面积和良好的导电性。(2)将制备聚苯胺导电水凝胶(PANH)的溶液直接滴涂在载有CP的碳布上合成了不含粘结剂的复合物催化剂。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对制备的复合催化剂进行了结构表征。电化学测试表明,在电压为0.6 V和扫速为50 m V s-1时,最优复合物2的电流密度为107 m A cm-2,这表明其具有良好的EOR催化活性,优于已有报道的镍基催化剂。此外,复合物2的塔菲尔(Tafel)斜率和交换电流密度分别为88.9 m V dec-1和1.95×10-5 A cm-2,这也表明复合物2是较好的EOR催化剂。最后,经过1000 CV循环后,复合物2的电流密度为原始值的65%。而当电解液更换为新鲜的电解液(1 M KOH+1 M Et OH)时,电流密度又恢复到原来的74%。基于复合物2优异的电催化性能、良好的稳定性和抗CO中毒性能,它有望成为一种经济、高效和抗CO中毒的EOR催化剂。(3)通过浸渍法将镍基CP与碳点(CDs)结合制备了复合物。电化学测试表明,最优CP 2-CDs@CC的电流密度为118 m A cm-2,且具有较低的Tafel斜率和高的交换电流密度,这表明CP 2-CDs@CC具有良好的EOR催化活性。CP 2-CDs@CC优异的性能主要归于CDs的添加提高了Et OH在催化剂表面的吸附和电荷转移。此外,长时间的耐久性试验表明CP 2-CDs@CC具有良好的稳定性。最后,经过紫外光谱和循环伏安法(CV)测试分析,乙酸是EOR的产物之一。基于CP 2-CDs@CC复合物的制备简单、高活性和稳定性,它有望成为一种经济有效的EOR催化剂。
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