碱性条件下电化学氢气氧化反应合金催化剂活性的组成和温度依赖性研究

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:momoyangli
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阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)具有清洁、高能量转换效率的优点,而开发碱性条件下高活性的氢气氧化反应(HOR)催化剂是提高其功率密度、降低成本,并走向商业化的关键。制备合金是提升催化剂活性的有效方法。本论文通过简单的共还原湿化学法合成了具有不同组成的HOR合金催化剂,通过旋转圆盘电极方法在室温下研究了其组成对于活性的影响,并进一步研究了催化剂活性的温度依赖性,预测了合金催化剂在阴离子交换膜燃料电池工作温度下的性能。具体内容如下:
  1.合成了单金属Pt/C、Ir/C及其镍基双金属PtNi/C、IrNi/C四种催化剂,研究了过渡金属Ni的加入对Pt和Ir催化剂的HOR活性以及温度依赖性的影响。结果表明相比于单金属催化剂,过渡金属Ni的加入提高了面积活性,并降低了表观活化能(Ea)与指前因子(A),这与贵金属的种类无关。阿伦尼乌斯图得到的AEMFCs的工作温度(80℃)下四种催化剂的活性顺序与25℃时相比没有发生改变,只是差距缩小。无论室温还是高温下,PtNi/C的HOR活性均具有优势。
  2.合成了PtM(M=Ni,Co,Fe,Cu,Cr,Mo和Ru)合金催化剂,研究了不同种类的过渡金属对Pt催化剂的活性和温度依赖性的影响。结果表明由于引入的过渡金属降低了催化剂的氢结合能(HBE),PtM合金在室温下显示出改善的HOR活性。尽管在AEMFCs的工作温度下(即80℃)合金的增强作用不如室温下明显,但PtFe/C和PtCo/C的HOR活性比Pt/C更好,这对制造高性能AEMFCs具有潜在的应用前景。此外,计算出的催化剂的A和Ea具有线性关系,符合Meyer-Neldel规则。因此,具有高A和低Ea的理想型催化剂可能并不存在。
  3.合成了PtNi-1/0.1/C、PtNi-1/0.3/C、PtNi-1/3/C催化剂,探究了不同的铂镍比对催化剂的温度依赖性影响。结果表明,三种催化剂具有不同的HOR活性,Ea的变化并不大,而A的变化率更大些。对于PtNi-1/0.1/C和PtNi-1/0.3/C催化剂,当Ea相差不大时,A的高低会对HOR活性起到重要作用。而对于PtNi-1/0.3/C和PtNi-1/3/C催化剂,当Ea有差距时,其会对HOR活性起到比A更大的作用。因此在研究反应速率的温度依赖性时,Ea与A都应该考虑到,二者共同影响催化剂的活性。
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