【摘 要】
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近年来社会不断发展,能源消耗巨大,且造成了严重的环境污染,人们对资源和环境之间的关系越来越重视。直接过氧化氢-过氧化氢燃料电池(DPPFC)是由H2O2同时作为燃料和氧化剂的一种燃料电池,由于其反应产物只有H2O和O2,所以可以实现真正的可持续环保无污染。H2O2阳极的电氧化反应和阴极电还原反应性能直接决定了DPPFC性能,所以制备出具有优良催化性能活性的电极材料是提高DPPFC性能的理想方案,本
【基金项目】
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国家自然科学基金(21703208); 山西省自然科学基金(201701D221047); 山西省高等学校科技创新项目(201802077);
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近年来社会不断发展,能源消耗巨大,且造成了严重的环境污染,人们对资源和环境之间的关系越来越重视。直接过氧化氢-过氧化氢燃料电池(DPPFC)是由H2O2同时作为燃料和氧化剂的一种燃料电池,由于其反应产物只有H2O和O2,所以可以实现真正的可持续环保无污染。H2O2阳极的电氧化反应和阴极电还原反应性能直接决定了DPPFC性能,所以制备出具有优良催化性能活性的电极材料是提高DPPFC性能的理想方案,本论文中制备了NixCoy及Pt纳米电极材料分别用于催化H2O2的电氧化反应和电还原反应。通过对泡沫铜(CF)支撑体进行电化学氧化制备出CF-1电极,然后对CF-1电极进行电化学还原制备出CF-2电极,进而通过电沉积法在CF-2电极表面沉积Ni纳米催化剂制备CF-2@Ni电极,并且研究了所制备电极在碱性环境中催化H2O2电氧化行为。经电化学氧化和还原处理的CF基体表面获得了三维(3D)纳米锥结构,在其表面负载的Ni纳米催化剂呈直径约为200 nm的球状结构。通过比较CF、CF@Ni、CF-1@Ni和CF-2@Ni电极在1.0 mol·dm-3 Na OH+0.3 mol·dm-3 H2O2溶液中的催化性能,证明所制备的CF-2@Ni电极展现了最优的电催化活性。CF-2@Ni电极在2.0 mol·dm-3 Na OH+0.5mol·dm-3 H2O2混合溶液中达到最佳性能,0.6 V的电位下的氧化电流密度达到710.4m A?cm-2。通过阿伦尼乌斯方程可以计算得到CF-2@Ni电极表面反应活化能为21.0k J?mol-1。此外还探究了H2O2在CF-2@Ni电极表面的反应机理,为Ni催化剂催化H2O2电氧化反应基础理论提供了必要的指导意义。通过改变沉积液中的Ni2+和Co2+比例,在CF-2电极表面共沉积Ni-Co纳米复合物催化剂制备了CF-2@NixCoy电极,用于在碱性环境中催化H2O2电氧化。不同的Ni2+和Co2+比例制备出的电极表面形貌明显不同,随着Co含量的增加,所负载纳米材料表面由光滑平面转化为花状结构。所制备的Ni-Co纳米复合物催化剂相比纯Ni催化剂拥有更大的比表面积,可以更好的与反应液接触,且有利于反应过程中所产生气体的逸出。而且Ni-Co纳米复合物催化剂的催化性能明显优于纯Ni催化剂和Co催化剂,表明Co与Ni可以对H2O2电氧化反应表现出协同作用。此外,通过改变测试条件(Na OH浓度、H2O2浓度)研究CF-2@Ni0.50Co0.50电极的电催化行为,在Na OH浓度和H2O2浓度分别为3.0 mol·dm-3和0.3 mol·dm-3时,电极展现了最佳的催化性能,此时氧化电流密度在电压为0.6 V处达到了962.0 m A?cm-2。经计算得出,此时电极表面反应的活化能为19.8k J?mol-1。此外探究了H2O2在CF-2@Ni0.50Co0.50电极表面存在的氧化反应机理,其中Ni和Co之间的协同作用是促使CF-2@Ni0.50Co0.50电极具有优良的催化性能的关键因素。通过在滤纸表面依次负载石墨层、聚苯胺(PANI)层和Pt纳米颗粒制备出滤纸/石墨-聚苯胺@铂电极(F/G-PANI@Pt),并在酸性环境中用于催化H2O2的电还原反应。所制备电极表面负载的PANI为3D棒状结构,可以为Pt纳米颗粒的负载提供良好的基础。Pt通过化学氧化还原法依托PANI纳米棒均匀生长,具有较大的比表面积。F/G-PANI@Pt在含有1.0 mol?dm-3 H2SO4+1.5 mol?dm-3 H2O2的混合溶液中,-0.2 V的测试电位下,还原电流密度达到了-415.10 m A?cm-2。此外研究了H2O2在电极表面的反应机理,F/G-PANI@Pt电极优良的催化性能得益于其特殊的3D结构及PANI和Pt纳米材料间的协同效应。
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