直接硼氫化物燃料電池三元合金AuNiCu陽極催化劑制備及性能研究.pdf

1、直接硼氫化物-過氧化氫燃料電池（DBHFC）是一種常見的低溫質(zhì)子交換膜燃料電池，它所用的燃料是堿性條件下的NaBH4溶液，氧化劑為酸性環(huán)境下的H2O2。理論上，BH4—在DBHFC陽極完全氧化能轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為8，然而，由于BH4—容易發(fā)生水解而釋放出H2，實(shí)際轉(zhuǎn)移的電子數(shù)小于8。水解會(huì)降低燃料的利用率，生成的H2還會(huì)帶來安全隱患。因此，研發(fā)能夠抑制BH4—水解并且促進(jìn)BH4—氧化的高催化活性的陽極催化劑，成為研究DBHFC的關(guān)鍵。

2、>　　貴金屬Au對(duì)BH4—的催化氧化作用較高，在特定條件下的庫倫效率能夠接近100％，然而，作為DBHFC陽極催化劑時(shí)，Au的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較慢，輸出功率較低，其并不適合單獨(dú)作為催化劑使用。3d過渡金屬Ni單獨(dú)作為催化劑應(yīng)用于DBHFC時(shí)，BH4—在其上氧化極化較小，開路電位較負(fù)，但Ni的性能較差，也不適合單獨(dú)作為DBHFC的陽極催化材料。Cu作為另一種3d過渡金屬，對(duì)BH4—的直接氧化有較高的電催化活性，但對(duì)BH4—的水解也有明顯的促進(jìn)作

3、用。為了充分發(fā)揮每種金屬的優(yōu)勢(shì)，本課題組前期已經(jīng)研究了BH4—在AuNi、AuCu催化劑上的電氧化行為，發(fā)現(xiàn)Ni或Cu的加入不僅能明顯提高Au的催化性能而且減少了貴金屬Au的用量。
　　為了改善BH4—在Au催化劑上電氧化性能，本文在課題組前期工作的基礎(chǔ)上，采用合金化的方法，向貴金屬Au中同時(shí)添加Ni和Cu兩種非貴金屬，研究BH4—在三元合金催化劑AuNiCu/C上的電化學(xué)行為，深入探究Ni和Cu同時(shí)添加對(duì)BH4—電化學(xué)氧化行為的

4、影響。
　　首先，本文采用多元醇還原法制備了一系列不同比例的合金型Au/C、Au1Cu1/C、Au1Ni1/C、AuxNi1Cu1/C（x=0,0.2,0.5,1,1.5,2）納米陽極催化劑。將制備成功的納米催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)運(yùn)用XRD和TEM等進(jìn)行了物理表征，結(jié)果表明：不同比例合金型納米粒子Au/C、Au1Cu1/C、Au1Ni1/C、AuxNi1Cu1/C（x=0,0.2,0.5,1,1.5,2）納米粒子分散性較好，且粒徑均勻

5、，粒子粒徑均分布在8~17 nm之間。
　　其次，將制備出來的一系列納米粒子運(yùn)用循環(huán)伏安（CV）、計(jì)時(shí)電流（CA）、計(jì)時(shí)電位（CP）、線性電勢(shì)掃描（LSV）、交流阻抗（EIS）和電池測(cè)試等一系列電化學(xué)測(cè)試手段對(duì)各種不同納米粒子的BH4—電氧化性能進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示：在所制備的Au/C、Au1Cu1/C、Au1Ni1/C、AuxNi1Cu1/C（x=0,0.2,0.5,1,1.5,2）催化劑中，三元合金催化劑和雙金屬催化劑的催化活

6、性相對(duì)于單金屬催化劑Au/C來說有很大的提高。當(dāng)貴金屬Au的含量均為50%的時(shí)候，三元合金催化劑Au2Ni1Cu1/C有比二元合金催化劑Au1Cu1/C和Au1Ni1/C更優(yōu)的催化性能。并且Au含量不同對(duì)催化劑活性影響明顯，通過對(duì)所制備的一系列AuxNi1Cu1/C催化劑的性能進(jìn)行了比較，其中Au1Ni1Cu1/C的催化活性最好。通過計(jì)時(shí)電流數(shù)據(jù)計(jì)算得出，在同樣條件下，BH4—發(fā)生氧化反應(yīng)在Au1Ni1Cu1/C上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為7.6，

7、比Ni1Cu1/C上氧化轉(zhuǎn)移的電子數(shù)要多。溫度為20 oC，用Au1Ni1Cu1/C作為DBHFC陽極催化劑，Pt片（1 cm×1 cm）用作陰極組裝成電池，得到的最大功率密度為68.14 mW cm-2，是相同條件下Ni1Cu1/C的8.6倍。
　　本文所制備出的三元合金催化劑AuxNi1Cu1/C對(duì)BH4—氧化的催化活性均優(yōu)于雙金屬催化劑Au1Cu1/C、Au1Ni1/C和單金屬催化劑Au/C，這可能是由電子效應(yīng)或協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致

8、的。
　　①電子效應(yīng)：在Au中添加Ni和Cu能改變Au的電子能帶結(jié)構(gòu)，減小了Au對(duì)反應(yīng)中間產(chǎn)物的吸附能，使中間產(chǎn)物如BH3OH—更容易吸附在Au的表面，使反應(yīng)更容易發(fā)生。
　?、趨f(xié)同效應(yīng)：從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，AuxNi1Cu1/C催化活性要比Au1Cu1/C和Au1Ni1/C的高，可能是由于Ni和Cu對(duì)Au的共同作用提高了庫倫效率，并且當(dāng)金屬原子比Au：Ni：Cu=1:1:1的時(shí)候，這種“協(xié)同效應(yīng)”能發(fā)揮最大作用，三元催化劑