以Pd-MoO2/C為陽(yáng)極催化劑的乙醇燃料電池

M究勹設計技本以Pd-MoO2C為陽(yáng)極催化劑的乙醇燃料電池周德璧,于紅英,朱紅梅,唐超,章澤杰(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南長(cháng)沙410083)摘要:制備了Pd-MoC作為乙醇陽(yáng)極催化劑循環(huán)伏安計時(shí)電流測試結果表明該催化劑對乙醇氧化具有良好的活性和穩定性能。制備了以 Pd-MoO/C作催化劑的陽(yáng)極,與空氣電極組裝了乙醇燃料電池,采用恒流放電法測試了電池的放電性能。組裝了4個(gè)單電池組成的電池組,以該電池組負載一個(gè)25V03A的燈泡在常溫下可穩定運行。向電池的陽(yáng)極槽中添加乙醇電池可持續放電。關(guān)鍵詞:直接乙醇燃料電池;恒流放電;陽(yáng)極電催化劑中圖分類(lèi)號:TM9114文獻標識碼:A文章編號:1002-087X(2014)09-1655-0Direct ethanol fuel cell with Pd-Moo2 C as anode catalystZHOU De-bi, YU Hong-ying, ZHU Hong-mei, TANG Chao, ZHANG Ze-jieInstitute of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)Abstract: Pd-Mooyc was prepared as catalyst for ethanol oxidation. Evaluated by cyclicvoltammetry (Cv) andchronoamperometry (CA), this material shows excellent activity and stability for the electro-oxidation of ethanol inalkaline media. a direct ethanol fuel cell (DEFC) was constituted with this anode and a self-prepared air electrodeThe DEFC shows good performance in constant-current discharging test. A battery with 4-cells was assembledwhich could lighten a 2.5 V 0.3 A bulb. Moreover, the battery can discharge continually by adding ethanol into theanode tankKey words: direct ethanol fuel cell; constant current discharge; electrocatalyst直接乙醇燃料電池(DEFO結構簡(jiǎn)單比能量高燃料便于本研究組對DEFC的研究做了大量工作,主要集中在陽(yáng)攜帶和儲存對環(huán)境友好實(shí)際應用前景十分廣闊叩。乙醇來(lái)源極乙醇電催化劑上,研制了Pa、CoNi及其合金或金屬-金屬廣泛且是一種完全可再生能源,可以通過(guò)含糖原料發(fā)酵大量氧化物的復合材料,在堿性下對乙醇都表現出一定的電催化生產(chǎn),是一種很有吸引力的汽車(chē)代用燃料在巴西等國家已經(jīng)作用;利用微波加熱乙二醇還原法制備的 Pd-MoO2C材料在加油站上供應乙醇作為傳統內燃機汽車(chē)的代用燃料叫。乙醇對乙醇氧化具有很強的催化作用且其催化活性比較穩定。本的理論比能量高(801kWh/kg=汽油的2/3),且價(jià)格低廉、安研究組長(cháng)期進(jìn)行金屬-空氣電池的研究開(kāi)發(fā),多年來(lái)在陰極全、無(wú)毒。但是,由于乙醇的電化學(xué)氧化反應特別困難,中間產(chǎn)空氣電極領(lǐng)域一直扎扎實(shí)實(shí)工作,并取得了顯著(zhù)進(jìn)展?；谖锒?過(guò)程復雜,現在還處于機理研究和初步研究階段,主要上述基礎,設計組裝了DEFC和四個(gè)單電池的電池組。本文報是乙醇氧化電催化劑的研制。告制備 Pd-MoO2C催化劑及組裝乙醇電池的研究成果。目前的DEFC技術(shù)以強酸性的離子交換膜為電解質(zhì),嚴1實(shí)驗重依賴(lài)于P基催化劑,無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)廣泛應用的要求而在堿性介質(zhì)中催化劑的活性往往顯著(zhù)高于在酸性介質(zhì)中,某些1.1乙醇陽(yáng)極催化劑的制備在酸性介質(zhì)中原本不活潑的金屬(如Pd),在堿性介質(zhì)中卻表乙醇陽(yáng)極催化劑的主要成分是 Pd-MoO/C復合材料。利現出可觀(guān)的活性。近年來(lái)堿性DEFC的研發(fā)取得了令人鼓舞用微波加熱乙二醇還原法制備Pd-MoO2C,方法如下:的進(jìn)展。Ag與MnO2均是堿性介質(zhì)中對醇惰性的氧還原催化200mL燒杯中依次加入0.31gMoO+0.16 g Vulcan劑;而性能突出的Pd與Pt相比,Pd在地球上有較高的豐度XC-72碳粉(以下用C72表示)的混合物、100mL乙二醇和4價(jià)格也相對低廉。以P為基礎的催化材料(Pd合金及Pd氧mL I mol/L KOH溶液,超聲震蕩使之變成碳漿;再慢慢滴入化物在堿性介質(zhì)中對醇氧化表現出較高的催化活性。但是為10mL0.05 mol/L PdCI2溶液,超聲30min后靜置4h;把上述獲得令人滿(mǎn)意的DEEC性能,促進(jìn)乙醇完全氧化,提高DEFC溶液轉移至坩堝,再置于微波爐中,中火加熱120s左右,稍冷的法拉第效率還需要進(jìn)一步對催化劑進(jìn)行研發(fā)間后(15min)再加熱90s左右冷卻至室溫。離心使固液分離,并用50mL體中國煤化工離子水多次洗滌固收稿日期:201402-12體后,放入60作者簡(jiǎn)介周德璧(1952-),男湖南省人,博士生導師教授,主12電極的CNMHG要研究方向為鋅空氣電池、乙醇燃料電池和液流儲能電池陽(yáng)極的制備:稱(chēng)取一定量質(zhì)量比1:1的 Pd-MoO2C(11165520149vol38No.9淑技M究與設山制備的)與C72,混勻后加入與上述混合物質(zhì)量比為20%的0.40PTFE懸濁液(W60%),在瑪瑙研缽中研磨使其混合充分,得mol/L,H到黑色團狀固體;再用滾壓機將其壓制成01mm的薄膜,最日0.201 Pd-Moo/c后將其壓在泡沫鎳上分別制成1cmX1cm2cmx2cm和4cmx6cm電極片(Pd含量約0.1mgm),即 Pd-MoC2C電極。0.00mol/L KOH空氣電極分擴散層和催化層,擴散層的主要成分是乙炔0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.4黑,而催化層的主要成分是經(jīng)特殊處理的MnO2C。制好的空圖2Pd-MoO2C電極分別在1 molL KOH和1 molL KOH+氣電極片(2cmx2cm和4cmx6cm)放入60℃的鼓風(fēng)干1 moVL C2HSOH電解液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)燥箱中待用。電流都趨于零,說(shuō)明該電極在沒(méi)有乙醇的電解液中的活性很13 Pd-Moo/C電極的電化學(xué)性能測試小。在1 MoUL KOH+1moLC2HOH電解液中,正向掃描的起電化學(xué)測試均在CH760D型(上海辰化公司)電化學(xué)工始氧化電位在-08v電流密度自-06V起顯著(zhù)增大,在作站上進(jìn)行。電解池采用三電極體系,以 Pd-MoO2C電極(104V就達到50mAcm2;氧化峰電位在-0.10V,對應電流cmx1cm)為工作電極,鉑片(1cmx1cm)和自制 Hg/HgO密度是370mAm2;反向掃描時(shí)沒(méi)有還原電流,反而出現了氧電極(電解液為10 mol/L KOH)分別為對電極和參比電極;室化峰,這是由于電位負掃時(shí),電極表面氧化物被還原,其表面溫下,1 molL KOH溶液作為空白實(shí)驗電解液,測試了活性數目增多,乙醇又發(fā)生氧化;綜上表明 Pd-MoO/C電極在Pd-MoO,/C電極在1 molL KOH+1 moIL CHOH的電解液中堿性下對乙醇氧化有很好的電催化活性。對乙醇電催化氧化的性能。21.2計時(shí)電流法測試上述電解液均現配現用,本文涉及的電位都相對于圖3為 Pd-MoO2C電極在1 moVL KOH+moLC2HOHHg/HgO電極。循環(huán)伏安的檢測范圍為-08~04V,掃描速度電解液中的計時(shí)電流曲線(xiàn)。圖3顯示,該電極分別在-02是10mVs;計時(shí)電流測試分別在-02、-0.3和-04V電位03和-04V電位下的計時(shí)電流曲線(xiàn)都比較平穩,而在下進(jìn)行。0.3V時(shí)的電流密度就基本穩定在135mAcm2,進(jìn)一步證明14直接乙醇燃料電池(DEFC)的組裝及性能測試 Pd-MoO2C材料對乙醇氧化具有很強的催化作用且其催化活DEFC單電池的模型(A)如圖1所示,由四個(gè)單電池串性比較穩定。聯(lián)組成了電池組(B)如圖6所示;使用陰離子交換膜(千秋公0.450,40司,浙江),空氣電極和乙醇陽(yáng)極的電解液分別是6 molL KOH溶液和6 molL KOH+6mo/ L CHOH溶液20.300.100.3V0.050.41空氣電極0.0002004006008001000圖3 Pd-Moo/C電極在1 moVL KOH+1 moVL C2HSOH電解液中的計時(shí)電流曲線(xiàn)22直接乙醇燃料電池的放電性能圖1直接乙醇燃料電池的單電池模型221單電池(A)的恒流放電測試室溫下,電池A和B在新威爾充放電儀上分別進(jìn)行恒流單電池(A)分別在10、15、20、25和30mAcm2下恒流放放電測試。A中電極的有效面積是2cmx2cm,分別在電流密電lh的曲線(xiàn)如圖4所示?？梢钥闯?單電池(A)的開(kāi)路電壓度10、20和30mAcm2恒流放電1h;B中對應的是4cmx6在073V而恒流放電時(shí)的電壓曲線(xiàn)較平穩;而10mAm2對cm,240mA恒流放電3h左右應的電壓一開(kāi)始逐漸下降,最終穩定在051V這是因為電池15電池組B負載小燈泡的實(shí)驗剛開(kāi)始放電時(shí)需要克服內部電阻;隨著(zhù)放電電流密度增加分別向電池組B的空氣電極和陽(yáng)極槽中加滿(mǎn)電解液再陰陽(yáng)極的過(guò)電位及溶液歐姆降都會(huì )增大,故電池端電壓變得用導線(xiàn)串聯(lián)好電池安裝一個(gè)2.5V0.3A的小燈泡觀(guān)察燈泡更小。單電池(A)在15mAm2放電的電壓穩定在044V,亮度。2結果與討論21Pd-MoO2C電極在堿性下對乙醇的電催化活性0.410mA/em20 mA/em21.1循環(huán)伏安法測試中國煤化工圖2為 Pd-MoO2C電極分別在1 molL KOH和1moLCNMHGKOH+1 molL CHSOH電解液中的循環(huán)伏安曲線(xiàn)。由圖2可知,在10 molL KOH空白電解液中,無(wú)論正向或反向掃描的圖4直接乙醇燃料電池單電池(A)的恒流放電曲線(xiàn)(下轉第1725頁(yè))20149Vo.38No91656M究與設山也速技參考文獻:3]謝勤嵐陳紅,陶秋生.開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)系統的均流技術(shù)[艦船電子工程,2003(4):75-78[]高承博,趙龍章.一種新型開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)均流技術(shù)的實(shí)現方法[通信電源技術(shù),2009,26(6):35-38[4]向龍,張勝發(fā),姚國順,等直流電源模塊并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流技術(shù)方研究門(mén)空軍雷達學(xué)院學(xué)報,2003,17(3):70-722]張松,任稷林大功率開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)運行時(shí)均流電路設計空軍[」倪帥唐麗娜劉杰逆變電源并聯(lián)技術(shù)控制策略綜述門(mén)變頻器雷達學(xué)院學(xué)報,200923(2):109-112世界,2011(7):4145(上接第1656頁(yè))30mA/cm2對應在031v;綜上,該電池恒流放電的電壓較穩陽(yáng)極電催化劑和空氣電極的催化成分;循環(huán)伏安及計時(shí)電流定,也再次說(shuō)明電池電極的催化活性較穩定。測試結果表明 Pd-MoO2C在堿性下對乙醇的催化活性強且穩222電池組(B)的恒流放電測試定。采用陰離子交換膜,6 molL KOH溶液和6 molL KOH+6電池組(B)在240mA(0mAcm2)下恒流放電的曲線(xiàn) mol/L CHSOH溶液分別作為空氣電極和乙醇陽(yáng)極的電解液如圖5所示。由圖5可知,電池組(B)的開(kāi)路電壓是245V,使用自主設計的直接乙醇燃料電池模型,由四個(gè)單電池串聯(lián)該電池組(B)在240mA下恒流放電的電壓在1.3V以上;圖的電池組在室溫下可以負載一個(gè)25V0.3A的小燈泡,且正5還顯示電池端電壓隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)而緩慢下降,主要是由于常工作;向電池陽(yáng)極槽中添加乙醇電解液后,電池可持續放乙醇逐漸被消耗,電極過(guò)程中濃差極化(反應物在電極表面和電主體的濃度差)也隨之變大的緣故1l2參考文獻:[]趙新生,姜魯華,孫公權等新型PSnC陽(yáng)極催化劑對乙醇的電催化氧化性能催化學(xué)報,2004,25(12):983-988[2] WANG Z B, YIN G P, ZHANG J, et al. 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