镍基催化剂对硼氢化钠直接氧化性能的影响

摘要

直接硼氢化物燃料电池（DBFC）是一种以NaBH4/NaOH碱性溶液为阳极燃料的新型燃料电池。理论上BH4-的电化学氧化是8电子反应，然而，BH4-电氧化反应实际能释放的电子数和阳极催化剂性能密切相关。选用非贵金属作阳极催化剂是降低DBFC生产成本、实现商业化的重要途径。因此本论文选用非贵金属镍（Ni）为基底制备沉积Ni作阳极催化剂，并研究其对BH4-直接氧化的影响。
　　首先，论文研究了NaBH4/NaOH碱性溶液中Ni片催化剂和沉积Ni催化剂对BH4-直接氧化的影响。结果发现：BH4-在 Ni片催化剂和沉积 Ni催化剂作用下电化学氧化的循环伏安曲线都只有一个氧化峰，峰电位约为-0.7 V。BH4-在Ni片催化剂作用下直接氧化的前3个周期电流值分别为23、15和3 mA；在相同条件下沉积Ni催化剂为116、63和23 mA，分别是Ni片催化剂作用下的5、4和7倍。在Ni片催化剂下BH4-放电时间为1.4×103 s，放电效率为0.4％；在沉积Ni催化剂下BH4-放电时间为7.2×104 s，放电效率为23％。因此，沉积Ni催化剂使BH4-的氧化峰电流和恒电流放电时间显著增大，放电效率和燃料的利用率显著提高。这是因为沉积Ni改变了催化剂的表面形态，增加了比表面积，增多了活性催化位点。研究还表明：制备沉积Ni催化剂的最佳条件为：Ni2+浓度为0.2 mol/L，电沉积电位为-1.0 V，电沉积时间为100 s。
　　其次，由于沉积Ni催化剂在碱性溶液中易被腐蚀，很快失去对BH4-电化学氧化的催化活性。因此采用循环伏安、交流阻抗和恒电流放电等电化学测试方法研究了三乙醇胺（TEA）和硫脲（TU）两种添加剂对沉积Ni催化剂性能的影响。研究结果表明：加入适当的三乙醇胺不仅能抑制沉积Ni催化剂在碱性环境中的腐蚀，而且还促进了BH4-的直接氧化，三乙醇胺的最佳浓度范围为0.018~0.025 mol/L，最佳浓度时 BH4-放电时间为9.0×104 s，放电效率为29％；硫脲虽可以促进 BH4-的直接氧化，但不能很好地抑制沉积Ni催化剂在碱性环境中的腐蚀，硫脲的最佳浓度为0.21μmol/L，最佳浓度时BH4-放电时间为7.3×104 s，放电效率为24％。两种添加剂相比较，三乙醇胺的效果更好。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 燃料电池概述

1.3 直接硼氢化物燃料电池（DBFC）

1.3.1 直接硼氢化物燃料电池的简介

1.3.2 硼氢化钠

1.4 直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的研究进展

1.4.1 贵金属及合金催化剂

1.4.2 Ni金属及合金催化剂

1.4.3 储氢合金催化剂

1.4.4 电解液添加剂

1.5 论文的研究思路和内容

2 实验部分

2.1 实验药品和仪器

2.2 溶液的配置

2.3 催化剂的制备

2.4 结构和性质的表征

2.4.1 X-射线衍射

2.4.2 扫描电子显微镜

2.4.3 循环伏安

2.4.4 交流阻抗测试

2.4.5恒电流放电曲线

3 结果与讨论

3.1 催化剂对BH4-直接氧化的影响

3.1.1 Pt催化剂

3.1.2 Ni片催化剂

3.2 制备方法对Ni催化剂性能的影响

3.2.1 形貌分析

3.2.2沉积Ni催化剂

3.3 制备条件对镍基催化剂性能的影响

3.3.1 电沉积电位

3.3.2 电沉积时间

3.4 电解液添加剂对镍基催化剂性能的影响

3.4.1三乙醇胺

3.4.2 硫脲

3.4.3 两种添加剂效果的比较

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的科研成果