TRIZ理論在甲醇燃料電池催化劑性能改進(jìn)中的應(yīng)用

鄭 霞，肖海連，白 強(qiáng)，劉漫紅，隋 凝

(青島科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

1 TRIZ理論體系的概述

TRIZ理論，1946年由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒創(chuàng)立，通過(guò)研究世界上大量高水平專利，發(fā)現(xiàn)任何領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展都會(huì)遵循一定的進(jìn)化規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)出解決各種矛盾的創(chuàng)新原理與法則，建立了一套由解決技術(shù)、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的方法、算法組成的理論體系[1]。TRIZ理論包括：40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程參數(shù)、阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和分離原理、物-場(chǎng)模型(Su-Field)、最終理想解(IFR)等六大基本工具[2]。如今，TRIZ理論在技術(shù)、生產(chǎn)、管理等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，如BMW車外形設(shè)計(jì)、飛機(jī)機(jī)翼的進(jìn)化、轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)等，但在科研工作中，應(yīng)用TRIZ理論解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的實(shí)例卻很少。本文將立足于TRIZ理論，實(shí)現(xiàn)燃料電池催化劑的性能改進(jìn)。

2 TRIZ理論在燃料電池催化劑性能改進(jìn)中的應(yīng)用

2.1 提出問(wèn)題

直接甲醇燃料電池以其體積小、燃料易得、環(huán)保節(jié)能、能量密度高等優(yōu)勢(shì)而受到廣大研究者的青睞。而現(xiàn)階段，甲醇燃料電池并沒(méi)有得到大范圍的推廣，其中，催化劑是限制其發(fā)展的一個(gè)至關(guān)重要的因素。如何提高催化劑的性能、降低制備成本，是燃料電池領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

甲醇燃料電池催化劑主要存在催化效率低和制備成本高等局限性，產(chǎn)生問(wèn)題的具體原因如圖1所示。

圖1 甲醇顏料電池催化劑目前存在的局限性及其原因

在成本方面，目前甲醇燃料電池常用的催化劑為鉑和鈀，地殼中含量少，價(jià)格昂貴，降低成本的常用解決方法為：采用非貴金屬進(jìn)行摻雜，降低鉑和鈀的含量，進(jìn)而降低甲醇燃料電池的成本[3]。由于Pd相對(duì)與Pt的價(jià)格更為便宜，所以本文采用Pd作為對(duì)象進(jìn)行研究。

而對(duì)于催化劑催化效率低的問(wèn)題，即催化劑的性能較差的問(wèn)題，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，也是本文接下來(lái)要解決的問(wèn)題所在。

2.2 利用矛盾矩陣提出解決思路

經(jīng)過(guò)上述分析，本文要解決的主要技術(shù)矛盾為：催化劑的性能較差。甲醇燃料電池在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于催化劑性能較差，催化劑的消耗量相應(yīng)會(huì)增加，從而增加使用成本。因此，提高催化劑的性能是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。

矛盾矩陣表可用來(lái)解決技術(shù)矛盾[4]。想要改善的參數(shù)是催化劑的效率，即生產(chǎn)率，對(duì)應(yīng)矛盾矩陣表中豎列的編號(hào)26，不想被惡化的參數(shù)是催化劑的成本，即物體產(chǎn)生的有害因素，對(duì)應(yīng)矛盾矩陣表中橫列的編號(hào)31。

查找矛盾矩陣表，可以運(yùn)用的創(chuàng)新原理是：18(機(jī)械震動(dòng)原理)，22(變害為利原理)，35(物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)?，39(復(fù)合材料原理)。

對(duì)上述創(chuàng)新原理進(jìn)行分析，提出解決方案：

利用創(chuàng)新原理35，通過(guò)改變維度提高性能。常用的催化劑材料大多為一維結(jié)構(gòu)，若將催化劑Pd通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段制備成二維片狀結(jié)構(gòu)，比表面積能夠顯著提高，從而暴露出Pd表面更多的活性位點(diǎn)，催化效率會(huì)大幅度提高，用量減少，成本相應(yīng)會(huì)降低。

將Pd從一維結(jié)構(gòu)變?yōu)槎S結(jié)構(gòu)常用的方案有兩種：

1)加入大分子表面引導(dǎo)劑，即利用表面引導(dǎo)劑的長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)造鈀的二維結(jié)構(gòu)。

2)加入小分子引導(dǎo)劑CO，CO吸附到Pd的(220)晶面上，引導(dǎo)Pd生成片狀結(jié)構(gòu)?？梢杂弥苯油ㄈ隒O的方法，也可以通過(guò)鐵的羰基化合物[6]加熱釋放CO。

2.3 通過(guò)因果分析在兩種方案中得到最優(yōu)解

本文采用因果分析法[5]，對(duì)兩種方案進(jìn)行分析，方案為因，尋找方案運(yùn)用時(shí)導(dǎo)致的結(jié)果。

圖2 因果分析圖

通過(guò)因果分析，發(fā)現(xiàn)了提高催化劑性能的各方案在運(yùn)行過(guò)程中存在的弊端：大分子表面引導(dǎo)劑會(huì)吸附在催化劑表面，覆蓋一部分活性位點(diǎn)。在制備Pd二維片狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，直接通入CO氣體，若操作不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致CO泄露，存在很大的危險(xiǎn)性，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要保持一定的壓力，對(duì)設(shè)備要求較高，而用羰基化合物加熱釋放CO，對(duì)設(shè)備要求不高，操作簡(jiǎn)便，安全性高，且小分子引導(dǎo)劑CO產(chǎn)生的活性阻礙較少。因此，提高催化劑性能的最優(yōu)解是：用羰基化合物釋放小分子引導(dǎo)劑CO，制備二維超薄鈀納米片。

2.4 方案評(píng)估

對(duì)上述分析分析進(jìn)行歸納，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)，評(píng)估表見(jiàn)表1。

通過(guò)以上分析可知，提高催化劑金屬鈀的性能的最佳方案是利用羰基化合物(本文采用羰基鐵)加熱釋放小分子引導(dǎo)劑CO。在制備過(guò)程中，CO吸附在Pd的表面，引導(dǎo)一維金屬Pd生成二維片狀結(jié)構(gòu)，增加比表面積，暴露出更多的活性位點(diǎn)，從而催化速率會(huì)大幅度提升，且CO是小分子物質(zhì)，對(duì)金屬Pd表面造成的活性阻礙較少。

表1 方案評(píng)估表

2.5 性能測(cè)試

采用電化學(xué)工作站對(duì)改進(jìn)后的超薄鈀納米片和商用鈀碳進(jìn)行甲醇電催化氧化測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 (a)二維超薄鈀納米片的TEM照片；(b)商用鈀碳與二維超薄鈀納米片甲醇氧化CV曲線(1 mol/L KOH與1.5 mol/L CH3OH)

如圖3a所示，利用鐵的羰基化合物釋放的CO小分子引導(dǎo)鈀生成了二維超薄鈀納米片。通過(guò)小分子引導(dǎo)劑CO的引導(dǎo)，一維的Pd轉(zhuǎn)變?yōu)槎S片狀結(jié)構(gòu)的鈀，增加了鈀的比表面積，從而暴露出更多的活性位點(diǎn)。

從3b圖中可以看出，所制備的二維超薄鈀納米片對(duì)甲醇氧化的峰值電流為690 mA·mg-1，是商用鈀碳的4.3倍。這表明所制備的二維超薄鈀納米片能夠顯著提高鈀對(duì)甲醇的電催化氧化能力。由此可以推斷出，小分子引導(dǎo)劑CO引導(dǎo)一維金屬Pd生成二維片狀結(jié)構(gòu)，增加了鈀的比表面積，暴露出更多的活性位點(diǎn)，從而對(duì)甲醇的電催化氧化能力有著明顯的改善。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用TRIZ理論對(duì)甲醇燃料電池的金屬鈀的催化體系進(jìn)行改進(jìn)。首先，通過(guò)分析得出影響催化效率的關(guān)鍵因素，即催化劑的性能，然后利用矛盾矩陣找到解決方案：通過(guò)改變Pd的維度提高性能，從而設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。最后利用因果分析評(píng)估改進(jìn)方案，通過(guò)電化學(xué)工作站對(duì)改進(jìn)后的超薄鈀納米片和商用鈀碳進(jìn)行甲醇電氧化測(cè)試，驗(yàn)證分析結(jié)果，證明了二維片狀的Pd相比于商用鈀碳具有更高的催化活性。本文利用TRIZ工具有效地解決了燃料電池催化劑性能較差的問(wèn)題，證明TRIZ工具能夠較好的解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。