实验二燃料电池阳极催化剂性能测试

燃料电池阳极催化剂性能测试实验报告系别班级姓名学号实验 2 燃料电池阳极电催化剂性能的测试一、实验目的燃料电池阳极催化剂的合成及其电化学催化性能的表征，此实验过程设计无 机合成、物理化学及电化学等学科方向内容，燃料电池是一类连续地将燃料氧化 过程的化学能直接转换为电能的电化学电池。1. 了解碳载铂与铂钌阳极催化剂的制备方法。2. 了解甲醇燃料电池的工作原理，掌握催化剂电催化性能的测试方法。二、实验原理1燃料电池燃料电池（Fuel Cell,简称FC）发电是继水力、火力和核能发电之后的第四 类发电技术。由于它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转 化为电能的发电装置，从理论上讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电。 但是，与一般电池不同，FC所用的燃料和氧化剂并不是储存在电池内，而是储 存在电池外。在这一点上，与内燃机相似。因此， FC 又被形象地称为“电化学 发电机”。2 甲醇燃料电池（DMFC ）的工作原理直接以液态或气态甲醇为燃料的FC称为DMFC,直接甲醇燃料电池是质子交 换膜燃料电池（PEMFC）的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在 阳极转换成二氧化碳、质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子 透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极，并做功。E=0.046V(1)E = 1.23V(2)E = 1.18V(3)其中：阳极反应：CHOH + HO t CO + 6H+ 6e-3 2 2阴极反应： 3/2O+ 6H+ + 6e t 3HO22电池反应： CHOH + 3/2O t CO + 2HO3 2 2 2DMFC 在标准状态下的理论电压Eo= - Go/nF =1.21V其中， F 为法拉第常数， n 为反应中包含的电子数。DMFC 在标准状态下的理论能量转换效率n = Go/A H°29 = 0.970（5）三、阳极催化剂的制备方法1. 浸渍-液相还原法将 Pt 的可溶性化合物溶解后，与活性炭载体混合，再加入还原剂，如 NaBH 、4 甲醛溶液、柠檬酸钠、甲酸钠、肼等，使 Pt 还原、沉积到活性炭上，干燥后， 得到 Pt/C 催化剂。用不同的还原剂，得到的催化剂性能会有很大的差别。这种 方法的优点是方法简便，缺点是制得的催化剂的分散性差，金属粒子的平均粒径 较大。2. 电化学沉积法可用循环伏安、方波扫描、恒电位、欠电位沉积等电化学方法将 Pt 或其它 金属还原。金属粒子不易聚集，平均粒径在 3nm 左右，因此电催化性能很好。四、实验部分 1仪器试剂仪器超声波清洗器，电化学工作站，玻碳电极，微量移液器 试剂甲醇，硫酸，氯铂酸，氯化钉，1.0、0.3和0.05ymym氧化铝抛光粉，铁氰化钾,Nafion 溶液2实验方法 循环伏安法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势 范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。根 据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能 性，以及偶联化学反应的性质等。常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和 反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。计时电流法电化学方法。向电化学体系的工作电极施加单电位阶跃或双电位阶跃后，测 量电流响应与时间的函数关系。该法一般使用固定面积的电极。适用于研究遇合 化学反应的电极过程，特别是有机电化学的反应机理。3实验步骤工作电极的制备如下。玻碳电极在使用之前需要依次用1.0、0.3和0.05卩mp m 氧化铝浆粉抛光。首先，称取5 mg催化剂，加入到稀释的Nafion乙醇溶液中（该 溶液是由1000yL乙醇和50yL Nafion溶液组成），并且超声分散30分钟获得均匀 悬浮液。然后，用微量移液器移取10 yL悬浮液滴在平坦的玻碳电极上。接下来 将制备好的电极在室温条件下干燥30分钟。采用循环伏安和计时电流法表征碳载铂和碳载铂钉催化剂的电催化活性，比较 其差异。4实验数据：<rlgTl_3000 -2800 -2600 -2400 -2200 -20001800 -1600 -1400 -1200-0100200300400时间(S)图2 a催化剂计时电流曲线图1800-11600140012001000800-600-400-200-0-0.002040.60.81.0图3 b催化剂循环伏安曲线图3000-2500 -S2-2000-1500-100200300400时间(s)图4 b催化剂计时电流曲线图五、实验结果分析图1、3中可以看出，在V=0.5和0.7附近有两个氧化峰，这两个氧化峰均为Pt/C 催化甲醇氧化的峰，并且所有氧化峰高样品a大于样品b。由于甲醇的氧化中间体 CO在纯Pt/C催化剂表面上强烈吸附，引起Pt/C中毒，进行循环伏安扫描的时候， 在回扫时氧化峰比较低，如图3所示。由图2、 4可以看出，图2的计时电流曲线较图4的平缓，图4的曲线从开始急 剧下降，后来趋于平缓，而图2在开始阶段电流急剧变化，但变化量较图4小，并 且随着时间的增长，Pt-Ru/C催化剂的电流比Pt/C的电流大，这就是Ru的辅助CO 还原作用的结果。而且从图中可以看出，Pt-Ru/C催化剂的电流变化平缓，故而 其催化甲醇氧化的性能较Pt/C催化剂的更加稳定。