抗坏血酸燃料电池阳极催化剂及单池研究

摘要

因为环境污染和资源短缺等问题，开发新能源是大势所趋，其中燃料电池具有清洁无污染、能量转换效率高等优点得到广泛关注。但传统的氢燃料存在危险、储运、成本等问题，甲醇燃料存在渗透、毒性等问题，而使用包括抗坏血酸（AA）在内的生物质替代燃料是一种可能的解决方案。AA具有还原性强、无毒、廉价的优点，因此具有应用潜力。直接抗坏血酸燃料电池（DAAFC）是一种将AA的化学能直接转换为电能的装置，目前DAAFC还存在功率密度低、成本高等问题。针对这些问题本论文使用酸处理碳（ATC）作为阳极电催化剂组装了碱性工作条件的DAAFC，并对AA的化学氧化活化能（EaChem）和电化学氧化活化能（EaElec）进行了分析。主要内容如下： （1）使用4M的HNO3溶液对商业碳黑BP2000进行了酸处理，获得ATC。酸处理在碳表面产生了丰富的含氧基团，改善了其电催化活性和亲水性。将ATC首次用作碱性膜DAAFC的阳极电催化剂，并且对DAAFC中一系列参数进行了优化，当燃料采用0.5M AA和1M NaOH、催化剂采用ATC、ATC载量为0.5mg·cm-2、膜电极采用将催化剂担载于膜上的制备方法、阳极催化层的碱性树脂添加量为25wt%时，功率密度最高可达18.5mW·cm-2。25°C和75°C条件下DAAFC的耐久性测试表明，使用30mL燃料循环DAAFC在25min后依然保持较好放电能力。 （2）对AA的EaChem和EaElec进行评价：设计了紫外可见光谱方法测试AA的EaChem，拟合得到AA碱性条件EaChem为37.095kJ·mol-1；设计了电化学阻抗谱方法测试碱性条件下AA的EaElec，拟合得到DAAFC没有使用ATC阳极电催化剂时EaElec为34.507kJ·mol-1，DAAFC使用ATC阳极电催化剂时EaElec为26.462kJ·mol-1。活化能的降低表明ATC能有效降低AA氧化的活化能。改变测试恒电压后，低于开路电压50、100、150、200mV时，EaElec分别为23.328、22.794、19.015、18.125kJ·mol-1，EaElec随测试电压降低而降低，这对应DAAFC中AA电化学氧化由活化控制逐渐转变为扩散控制。 （3）完成一些初步探索性研究：制备了掺氮碳材料并评估了酸性条件下催化AA氧化的性能，使用水相合成方法制备了PdAg合金催化剂并评估了碱性条件下催化AA氧化的性能，其中Pd3Ag表现了较好的催化效果。首次使用柠檬酸作为燃料电池的燃料，将ATC应用于阳极电催化剂，获得了0.76mW·cm-2的功率密度。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 液体燃料电池

1.1.1 甲醇燃料电池

1.1.2 衍生的小分子液体燃料电池

1.2 生物质燃料电池

1.2.1 概念

1.2.2 直接生物质燃料电池

1.2.3 发展瓶颈

1.3 抗坏血酸燃料电池

1.3.1 抗坏血酸和直接抗坏血酸燃料电池简介

1.3.2 阳极电催化剂

1.3.3 单池工艺

1.4 酸处理碳应用于直接抗坏血酸燃料电池

1.4.1 应用实例

1.4.2 碳的其他酸处理方法和效果

1.5 本论文的研究

2 实验部分

2.1 实验试剂材料和仪器

2.1.1 实验试剂和材料

2.1.2 实验仪器

2.2 表征和分析

2.3 性能测试

3 酸处理碳应用于碱性抗坏血酸燃料电池

3.1 酸处理碳作为阳极电催化剂的碱性抗坏血酸燃料电池

3.1.1 阳极电催化剂的制备和处理

3.1.3 膜电极制备和单池组装

3.2 表征结果讨论

3.2.1 酸处理影响

3.2.2 官能团

3.2.3 扩散层亲水性

3.3 单池工艺

3.3.1 阳极电催化剂

3.3.2 工艺改进

3.3.3 耐久性

3.4 本章小结

4 抗坏血酸氧化的活化能分析

4.1 碱性条件抗坏血酸的化学氧化

4.1.1 抗坏血酸的紫外可见光光谱

4.1.2 紫外可见光光谱测定活化能

4.2 碱性条件抗坏血酸的电化学氧化

4.2.1 电化学阻抗谱应用于活化能研究

4.2.2 抗坏血酸燃料电池阻抗谱

4.2.3 活化能计算

4.3 本章小结

5 直接抗坏血酸燃料电池的拓展研究

5.1 掺氮碳材料

5.2 Pd基材料

5.3 酸处理碳应用于直接柠檬酸燃料电池

结论

附录 主要符号的意义和单位

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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