直接甲醇燃料电池替代燃料有机多元醇的电化学性能与表征

摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）由于用甲醇作燃料，在运输、储存和使用等方面具有很高的安全性，加上甲醇的比能量很高，正日益受到人们的广泛关注。但是由于甲醇燃料电池存在甲醇渗透（Methanol Crossover）和电催化剂易毒化等问题至今有待于解决，因此寻找新的替代甲醇的燃料成为人们关注的热点之一。其中，替代燃料对于直链伯醇分子，特别是C1-C5低碳伯醇分子的报道相对较多，而对于增加碳的支链及相应羟基（-OH）的数目如有机分子多元醇的报道相对较少。由于多元醇的羟基（-OH）数目较多，分子体积较大，能大大降低反应分子在质子交换膜上的渗透率，提高燃料的利用率等。因此，研究多元醇的电化学性能，对于燃料电池的替代燃料提供一个重要的应用参考价值。本文采用电化学方法研究了新戊二醇（NPG）、三羟甲基乙烷（PG）和季戊四醇（PE）三种多元醇在光滑Pt 电极上不同的实验条件对其电化学行为的影响，并对三种多元醇分别在裸铂电极（Pt）、分散铂电极（Pt/Pt）和聚苯胺修饰分散铂电极（Pt/Pani/Pt）三种电极上电化学行为的比较，利用电化学方法对新戊二醇和三羟甲基乙烷与甲醇在Nafion 膜上渗透率进行了比较。主要内容如下：
　　 ★利用循环伏安法研究了在H2SO4 溶液中有机分子多元醇-新戊二醇（NPG）、三羟甲基乙烷（PG）和季戊四醇（PE）在光滑Pt 电极上的电化学行为，结果表明：扫速越大，温度越高越有利于三种多元醇的电氧化；在一定浓度范围内，醇溶液浓度越大，H2SO4溶液的浓度越小越有利于多元醇的电氧化，并且电位范围在-0.2-1.2V之间时三种多元醇的氧化峰电流远远小于甲醇的氧化峰电流。
　　 ★采用循环伏安法，在光滑铂电极上聚合导电高分子聚苯胺并用于Pt 颗粒的负载。由于聚苯胺这种特殊的结构，提高了Pt 颗粒的分散度，增加了Pt 颗粒在催化剂体系中的利用率。扫描电镜（SEM）表征的结果显示，Pt/Pt 电极上颗粒的平均粒径为240nm 左右，Pt/Pani/Pt 电极上Pt 颗粒的平均粒径为150nm 左右。交流阻抗测试结果表明：Pt/Pani/Pt电极与Pt/Pt 电极相比，电化学反应电阻减小，电催化活性增强。通过比较新戊二醇（NPG）、三羟甲基乙烷（PG）和季戊四醇（PE）三种有机分子多元醇的循环伏安曲线可知，三种多元醇在Pt/Pani/Pt 电极上的氧化峰电流远远大于其在Pt/Pt 电极和光滑Pt 电极上的氧化峰电流。
　　 ★利用循环伏安法和计时电流法测试了甲醇、新戊二醇、三羟甲基乙烷在Nafion 膜中不同时间的渗透率。结果表明，甲醇的渗透率远大于新戊二醇和三羟甲基乙烷的渗透率。
　　 计时电流结果显示，随着时间的增长三种醇溶液渗透过Nafion 膜的浓度均逐渐增大。