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電催化劑的研究－制備與表征
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現(xiàn)在由于石油的價(jià)格突飛猛進(jìn)，以氫能和甲醇為燃料的直接甲醇電池就成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是各國(guó)的政府為了戰(zhàn)略的需要往往都投入巨資進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)。我們國(guó)家現(xiàn)在主要大的課題還是燃料電池汽車和可用于某些特殊領(lǐng)域的動(dòng)力系統(tǒng)。特別是2008年將至，綠色奧運(yùn)就更加注重環(huán)保和技術(shù)的更新?lián)Q代，因此國(guó)內(nèi)現(xiàn)在準(zhǔn)備在2008年時(shí)北京首先運(yùn)營(yíng)氫能燃料電池客車。這方面的工作以清華大學(xué)和大連化物所牽頭來作，特別是將新源動(dòng)力分出化物所之后，這方面的工作就更加的突出了。 以上是燃料電池的研究意義和背景。而作為電池的很重要的一部分的電催化劑就發(fā)揮十分重要的作用了。目前主要的關(guān)于電催化劑制備的書籍還不是很多，但是方法可謂千差萬別。目前主要的技術(shù)瓶頸在于催化劑的壽命不長(zhǎng)，不能夠?yàn)殡姵靥峁┲饕募夹g(shù)保障，所以如何制備具有高活性而且具有較長(zhǎng)壽命的催化劑已經(jīng)成為這個(gè)領(lǐng)域的焦點(diǎn)。 表征方面有原位表征，模型催化劑研究以及在MEA中的研究等等，所有的這些研究一個(gè)方面從理論上知道其反應(yīng)途徑和機(jī)理，另一方面提高催化劑的利用率，尤其是貴金屬催化劑的利用率。所以催化劑的制備從以下幾個(gè)方面入手。。。。 未完，待續(xù) [ Last edited by daiqiguang on 2007-5-9 at 18:02 ] |
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電化學(xué)催化作用的概念由前蘇聯(lián)Kobosev等提出后，經(jīng)Bockris、Grubb等大力倡導(dǎo)，而今在燃料電池領(lǐng)域已廣泛使用。電催化作用是指在電場(chǎng)作用下，存在于電極表面或溶液相中的修飾物(電活性或非電活性物種)能促進(jìn)或抑制在電極表面上發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，而修飾物本身并不發(fā)生化學(xué)變化的一種催化作用。電催化作用包括初級(jí)效應(yīng)與次級(jí)效應(yīng)，前者來自電極表面與反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體之間的相互作用，后者包括電極的雙電層結(jié)構(gòu)對(duì)電極反應(yīng)速率的影響。雙電層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)參加電化學(xué)反應(yīng)的分子或離子具有顯著的活化作用，可以改變反應(yīng)所需的活化能(二者相比，前者的影響遠(yuǎn)大于后者)。與多相催化不同，電極反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力不僅受濃度、溫度、壓力等因素的影響，而且與電荷轉(zhuǎn)移而引起的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。電催化與多相催化的相同之處在于反應(yīng)物或中間產(chǎn)物在界面區(qū)的吸附及其在反應(yīng)過程中的作用。近年來，“電子因素”和“幾何因素”通常用來討論反應(yīng)物在電催化劑表面上的吸附及其相互作用。 多孔氣體擴(kuò)散電極(GDE)的應(yīng)用極大地增加了電極電化學(xué)反應(yīng)的表觀幾何面積，提高了電極的交換電流密度 與反應(yīng)速率。然而，在多孔GDE中，氣、液、固三相共存，粒徑尺度范圍較寬，在燃料電池研究中，不僅要考慮電催化劑本身的催化活性、穩(wěn)定性、電子電導(dǎo)率、催化劑活性粒子與載體的相互作用等，而且要考慮電化學(xué)反應(yīng)的界面現(xiàn)象、各種極化效應(yīng)，在微時(shí)空尺度內(nèi)電子、質(zhì)子、反應(yīng)物、產(chǎn)物、中間體的傳輸、遷移過程，水、熱的分配管理等。這不僅導(dǎo)致電極過程比多相催化反應(yīng)過程更為復(fù)雜，而且使許多在多相催化研究中行之有效的方法在一定程度上受到了限制。 電催化劑直接影響燃料電池的性能、穩(wěn)定性、使用壽命與商業(yè)化成本，是燃料電池研制的關(guān)鍵材料之一。目前，高溫燃料電池(MCFC、SOFC)電催化劑的研究比較成熟。MCFC陽極電催化劑主要為Ni或在Ni中摻雜其它元素如Cr、Al及Cu等，陰極電催化劑主要是NiO或NiO中摻雜少量鈷、銀、鍺和氧化鑭等。高溫SOFC陽極電催化劑多半使用Ni/YSZ，陰極電催化劑使用Sr摻雜的LaMnO3等。近年來開發(fā)的中溫SOFC通常采用Sr、Fe摻雜的LaCoO3、SrCoFeO3-x和Sr摻雜的SmCoO3等混合導(dǎo)電材料。PEMFC尤其是DMFC由于工作溫度低，陽極燃料電催化氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率慢，電極過程比較復(fù)雜，相關(guān)的研究報(bào)道很多，簡(jiǎn)要介紹如下。 |
2樓2007-03-30 01:32:54
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| 最近研究表明在不同Pt(hkl)晶面上HER/HOR動(dòng)力學(xué)速率不同，這種結(jié)構(gòu)敏感性主要來自于離子的結(jié)構(gòu)敏感吸附，如Hupd、OHad、HSO4,ad、Clad、Biad、Cuupd等均為結(jié)構(gòu)敏感吸附。在酸性溶液中，較低的過電位(-0.2～0.2V)下，Pt單晶電極的活性順序?yàn)镻t(111) < Pt(100) < Pt(110)，且與溫度無關(guān)；在堿性溶液中，低溫時(shí)(275 K)，Pt單晶電極的活性順序與前者相同，而在較高溫度下的活性順序則為：Pt(100) < Pt(111) ≤ Pt(110)。 |
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| PEMFC和DMFC的陽極反應(yīng)涉及氫氣、甲醇、乙醇等有機(jī)小分子的電催化氧化反應(yīng)。近年來，電催化劑的微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)中間體及其它物種在表面活性位上的吸附與反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)速率之間的關(guān)系依然是主要研究對(duì)象，有關(guān)吸附行為與幾何結(jié)構(gòu)敏感性已成為比較時(shí)髦的術(shù)語。實(shí)際上，電催化反應(yīng)基本上都屬于結(jié)構(gòu)敏感反應(yīng)，結(jié)構(gòu)敏感性不僅來自反應(yīng)中間體的吸附對(duì)活性位的幾何結(jié)構(gòu)敏感性，而且來自活性位對(duì)其它相鄰物種的幾何結(jié)構(gòu)敏感性。 |
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3
| 氫氣的析出反應(yīng)(HER)和氧化反應(yīng)(HOR)在電化學(xué)過程中研究得最為廣泛。許多電極動(dòng)力學(xué)理論和現(xiàn)代電催化概念均建立在氫電極反應(yīng)基礎(chǔ)上。近年來的研究工作主要集中在兩方面，一是有關(guān)氫反應(yīng)的結(jié)構(gòu)敏感性，二是化學(xué)吸附對(duì)氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的影響。由于Pt(hkl)單晶電極具有簡(jiǎn)單而結(jié)構(gòu)完美的晶面取向和不同的原子表面密度ρ(ρPt(111) = 1.53×1015，ρPt(100) = 1.28×1015，ρPt(110) = 0.94×1015)，該電極目前已被廣泛用于HER/HOR吸附行為和結(jié)構(gòu)敏感性的研究。 |
5樓2007-03-31 01:28:50
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| 在堿性溶液中，Pt(hkl)表面上氫和氧物種的吸附隨晶面不同而異。Pt/H鍵能(EPt/H)隨著比吸附位和覆蓋度的不同大約在240～250 kJ/mol之間。在0.1 mol/L KOH溶液中，強(qiáng)吸附的氫(Hupd)在Pt(111)晶面上的熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)值如表3-1所示。氧物種在Pt(hkl)上的吸附(OHad)比Hupd吸附更為復(fù)雜。Pt(111)/OHad的等溫吸附熱約為200 kJ/mol，在電位區(qū)0.6～0.8 V內(nèi)鍵能大約是136 kJ/mol，Pt(110)和Pt(100)表面的Pt/OHad鍵能比Pt(111)至少高50～70 kJ/mol，OHad在該表面的可逆吸附將發(fā)生在更負(fù)的電位區(qū)內(nèi)。循環(huán)伏安研究結(jié)果表明OHad在這三種晶面上的吸附均始于Hupd電位區(qū)內(nèi)。值得注意的是在氣相中OHad與Hupd可直接發(fā)生反應(yīng)，而在Pt/溶液界面上則非。這種現(xiàn)象可能有兩個(gè)原因，一是共吸附的Hupd和OHad與雙電層內(nèi)部的水分子發(fā)生作用(內(nèi)層水效應(yīng))而各自保留下來；二是因?yàn)棣Hupd0小于零(ΔSHupd0= -63 kJ/mol), Hupd失去了二維可動(dòng)性，導(dǎo)致Hupd在Pt上形成固定的排列而不能發(fā)生反應(yīng)。 |
6樓2007-03-31 01:29:18
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