直接硼氢化钠燃料电池阳极催化剂Au-Ni合金制备及性能研究

摘要

燃料电池能将燃料(例如:氢)直接转换成电能,这种新型能源设备在生产和使用过程中几乎可以实现零污染排放,是实现未来繁荣和环境保护的关键。用硼氢化钠(NaBH4)水溶液作燃料的直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)具备特殊优势:固态燃料(NaBH4)性能稳定且不可燃、电池电压高(1.64V)、比能量高(5.7Ahg-1,高于甲醇的5.03Ahg-1)。但是BH4-在许多金属上的氧化反应仍存在较大缺陷,完整的8e-交换反应因BH4-水解而无法实现,使得每个BH4-释放的电子数量(法拉第效率)减少,导致DBFC能量密度减少,降低了预期8e-氧化燃料效率。由于Au对BH4-水解反应无催化活性,在Au电极上可以获得近似8e-的高库仑电子数,但Au电极通常呈现缓慢的电极动力学和较低的电流及输出功率。因此,提高Au电极上BH4-电化学氧化活性已成为目前DBFC研究的重点。
　　本文以Au-Ni合金为中心,围绕Au-Ni材料的制备方法选择及合成条件优化、BH4-在Au-Ni合金上的电化学氧化行为以及掺杂少量Pt以提高Au-Ni合金对BH4-电化学催化活性和提高电池电压展开研究:
　　1.选用操作较为简便的水相法和反胶束法制备Au-Ni合金材料,比较BH4-在两种制备方法制得的Au-Ni合金上的电化学氧化行为,发现反胶束方法制备的Au-Ni合金催化活性更好。通过改变反胶束法中水与表面活性剂比值Rω的大小,发现在Rω=5的条件下能制备出对BH4-电化学氧化催化活性较高的Au-Ni催化剂。
　　2.利用反胶束法在Rω=5条件下制备Au/C、Au-Ni/C催化剂,比较两者催化性能,发现Au-Ni/C不仅能降低Au/C成本并且能改善Au动力学速率、提高催化剂活性。通过电化学技术探讨了Au-Ni/C材料在不同条件下对BH4-电化学氧化催化行为。研究发现,BH4-在Au-Ni/C上的电化学氧化过程受不可逆电子传递过程和扩散过程混合控制。Au-Ni/C为阳极时DBFC的阳极电解液最佳组成为:1M NaBH+3 M4 NaOH,在一定温度范围内,电池性能伴随温度增加而提高。
　　3.在Au-Ni合金基础上掺杂Pt,制备出Au0.49Ni0.49Pt0.02/C、Au0.475Ni0.475Pt0.05/C、Au0.46Ni0.46Pt0.08/C材料。三种合金均为球形,粒径为3.9、3.7、4.0nm,催化活性高于Au-Ni合金。以Au-Ni/C、Au0.49Ni0.49Pt0.02/C、Au0.475Ni0.475Pt0.05/C、Au0.46Ni0.46Pt0.08/C作阳极组装DBFC,Au-Ni-Ptx/C提高了电池电压平台,改善了电池性能, Au0.475Ni0.475Pt0.05/C为阳极的DBFC性能最优,最大功率为68.36mWcm-2。

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第1章 绪 论

1.1 燃料电池(Fuel cell)概述

1.2 直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)

1.3 本论文研究目的及主要内容

第2章 实验试剂、仪器及表征方法

2.1 实验试剂及仪器

2.2 催化剂的物理表征

2.3 催化剂的电化学性能

2.4 电池性能

第3章 不同方法制备Au-Ni/C催化剂

3.1 引言

3.2 Au-Ni/C材料的合成

3.3 水相法、反胶束法合成Au-Ni/C材料的结构和形貌

3.4 水相法、反胶束法合成Au-Ni/C材料电化学性能

3.5 Rω值对催化剂性能影响

第4章 Au-Ni/C对BH4-催化性能的探讨

4.1 引言

4.2 比较反胶束法制备的Au-Ni/C、Au/C对BH4-催化性能

4.3 Au-Ni/C在不同条件下对BH4-催化性能探讨

4.4 不同条件下Au-Ni/C为阳极的电池性能探讨

4.5 本章小结

第5章 Pt掺杂Au-Ni催化剂制备及电化学性能研究

5.1 引言

5.2 Au0.49Ni0.49Pt0.02/C、Au0.475Ni0.475Pt0.05/C、Au0.46Ni0.46Pt0.08/C材料的制备

5.3 Au0.49Ni0.49Pt0.02/C、Au0.475Ni0.475Pt0.05/C、Au0.46Ni0.46Pt0.08/C材料的结构与形貌

5.4 电化学性能分析与研究

5.5 电池性能研究

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间公开发表的论文