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直接硼氢化物燃料电池铜阳极电化学性能研究

段东红  
【摘要】: 以碱金属硼氢化物为燃料的直接硼氢化物燃料电池(DBFC),具有理论比能量高和燃料效率高、电极反应速度快、燃料易于储存和运输等特点而引起研究者的广泛关注,在小型便携式电源等领域有着潜在的应用前景。DBFC阳极过程是一个复杂的H--H0?-H+之间价态转化的电极反应体系,涉及BH4-的电氧化反应、BH4-的水解释氢反应与氢的电氧化反应,该过程所要求的阳极催化材料与传统的金属或金属氧化物迥然不同。研发能有效抑制释氢的廉价阳极催化材料,是DBFC实用化的关键。本文探索了廉价金属Cu代替贵金属作为硼氢化物燃料电池阳极的可能性,对硼氢化物在Cu电极上的电化学氧化行为与反应动力学进行了系统研究,并对不同金属掺杂的铜基合金电极的性能进行了探讨。 论文采用循环伏安法与交流阻抗技术研究了BH4-在Cu电极上的电化学氧化性能,并以Cu为阳极组装成DBFC单元槽,测量了Cu阳极上BH4-氧化的稳态极化数据,提出Cu电极上BH4-的电催化氧化反应的多步骤机理,详细分析了不同超电势区域中电流与反应释放氢气速率的特点,发现:Cu阳极BH4-氧化机理包含电化学和非电化学两种连串的基元步骤。电化学反应步骤在低超电势下为电极反应的速率控制步骤,电极表观反应级数近似为零;非电化学步骤发生于连串的电化学基元步骤之前,在较高超电势下成为速率控制步骤,表观反应级数近似为1,在中等超电势的过渡区,表观反应级数应在0~1之间;极化曲线上限制电流的出现与反应机理中的速率控制步骤有关,而与传质无关;电极表面释放的表观电子数n值,可在0至7之间变化;在中等超电势下,n值在3~5之间。n值与[BH4-]/[OH-]浓度比、温度及超电势有关。根据提出的反应机理,导出了包含表面吸附态BH4? ,ad和OH a?d覆盖率θB和θOH的电极反应动力学方程,归纳出各基元反应步骤的动力学参数,计算出理论极化曲线并与极化实验数据进行了比较,二者吻合良好。同时采用电流分解法将电流定量分解成两类不同的电极反应,确定了Cu电极上不同反应对总电流的贡献,分析了BH4-在铜电极表面上电化学氧化反应的表观电子数的变化规律。 在此基础上,通过掺杂“催化”材料Pt与“非催化”材料Ag,进一步研究了碳载铜基合金电极的性能,发现掺杂元素可改进合金电极的性能。Cu-Ag/C和Cu-Pt/C合金电极的性能比Cu/C都有较大改善,其中掺杂Pt的Cu/C电极显示出较高的催化氧化活性。这为研制抑制释氢的新颖催化剂和优化催化剂组成提供了新的思路。


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