劉宇涵 寧晶 馬志強(qiáng) 駱澄 徐菽陽(yáng) 王悅 陳丹
摘要:本文主要研究的是金屬Sn對(duì)Pd/C電催化活性的影響,首先選用的是乙二醇體系和甲酸還原劑,然后運(yùn)用微波輔助法制得Pd/C及Pd-Sn/C催化劑,最后得出Pd-Sn/C催化劑對(duì)甲酸電催化活性的影響情況,其影響效果非常顯著。
關(guān)鍵詞:金屬Sn;Pd/C催化劑;電催化活性;影響因素
一、研究金屬Sn對(duì)Pd/C電催化活性影響的必要性
通常甲酸燃料電池有著許多的優(yōu)點(diǎn),主要為:無(wú)毒無(wú)害、可燃性低、便于存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)鹊?,同時(shí)甲酸在催化劑上具有良好的電化學(xué)活性,如果甲酸在Pd上,則會(huì)生成CO2及H2O,不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì),因?yàn)镻d對(duì)甲酸具有良好的電催化作用,所以研究金屬Sn對(duì)Pd/C電催化活性影響是非常有必要的,不僅能夠增強(qiáng)甲酸燃料電池的產(chǎn)出效率,而且還能降低能耗、節(jié)約資源。
二、燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀
能源是人類賴以生存的必要條件,如果沒(méi)有能源,則人類就無(wú)法生存下去,但由于科技的飛速發(fā)展,使得能源開(kāi)采越來(lái)越多,從而不可再生能源就越來(lái)越少,為保證能源供應(yīng)充足,人們便開(kāi)始研究各種可再生能源。在電池領(lǐng)域,綠色燃料電池就成為了重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象,燃料電池具有很多優(yōu)點(diǎn),其不僅轉(zhuǎn)換率大,而且對(duì)環(huán)境基本沒(méi)有太大的損害,所以目前燃料電池在電池領(lǐng)域?qū)儆谧罡咝?、最綠色的一項(xiàng)能源,被廣泛用于航天、交通運(yùn)輸以及潔凈電站當(dāng)中。雖然燃料電池的發(fā)電率很大,又不受卡諾循環(huán)限制,但其也存在著一些問(wèn)題,主要為:成本較大、功率密度較小、燃料不利于存儲(chǔ)等等。同時(shí)燃料電池還會(huì)涉及到后期維修的問(wèn)題,很多人都會(huì)擔(dān)心換完燃料電池以后,因?yàn)榫S修人員較少,而導(dǎo)致維修不方便,既沒(méi)有一定的保障,又會(huì)影響運(yùn)行效率。而且換完燃料電池,還需要更換過(guò)濾器,這也會(huì)顯著增大成本。所以燃料電池發(fā)展還不是特別成熟,仍需要不斷的研究和開(kāi)發(fā)。燃料電池的運(yùn)行原理為:燃料與氧化劑分別從電極兩端進(jìn)入,燃料會(huì)在陽(yáng)極發(fā)生氧化,從而失去電子,電子會(huì)從外部電路到陰極上,從而還原陰極的氧化劑,電解質(zhì)會(huì)把陽(yáng)極剩余的氫離子送至陰極上與氧負(fù)離子反應(yīng)變?yōu)樗?/p>
三、金屬Sn對(duì)Pd/C電催化活性影響實(shí)驗(yàn)探究
本實(shí)驗(yàn)以乙二醇為體系,以甲酸為還原劑,運(yùn)用微波輔助法制得Pd/C以及Pd-Sn/C催化劑,然后分別對(duì)這兩種催化劑的電化學(xué)性能展開(kāi)研究,又運(yùn)用循環(huán)伏安法、線性掃描法和計(jì)時(shí)電流曲線法分別探究Pd/C及Pd-Sn/C催化劑對(duì)甲酸電催化活性的影響,最后借助X射線衍射譜和電化學(xué)表面探究這兩種催化劑對(duì)甲酸電催化氧化屬性的影響。
(一)Pd-Sn/C催化劑的配置
首先在乙二醇分散劑中加入一點(diǎn)活性炭,使用超聲震蕩1個(gè)小時(shí),然后用磁力攪拌器攪拌1個(gè)小時(shí),隨后加入SnSO4溶液,再用磁力攪拌器攪拌1個(gè)小時(shí),之后加入氨水,將PH調(diào)成8-9,再用磁力攪拌器攪拌2個(gè)小時(shí),之后抽濾洗滌,真空干燥8個(gè)小時(shí),然后用高溫爐加熱至400℃以得到Sn/C,并加入一些分散在乙二醇溶液里,用超聲振蕩1個(gè)小時(shí)之后,再加入PbCl2溶液,用磁力攪拌2個(gè)小時(shí),然后加入2mol·L-1NaOH,把PH調(diào)成9,繼續(xù)用磁力攪拌1個(gè)小時(shí),在超聲振蕩的時(shí)候就把甲酸加進(jìn)溶液里,然后磁力攪拌4小時(shí),隨后把生成的產(chǎn)物放至微波里加熱30s,之后停30秒,再加熱10s,停20秒,如此7次,就能還原PdCl2,最后冷卻至室溫時(shí),再抽濾洗滌真空干燥8小時(shí),便制成了Pd-Sn/C催化劑。
(二)影響研究
先把金屬Pd及Sn負(fù)載至活性炭1-2個(gè)小時(shí),然后加入2%的水合肼,還原2-3個(gè)小時(shí),之后除掉雜質(zhì),并實(shí)施加氫反應(yīng),當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束,進(jìn)行結(jié)論。在研究金屬Sn對(duì)PdC催化活性影響時(shí),共需要10個(gè)小時(shí)。得到的結(jié)論有兩個(gè),首先,金屬Sn能夠顯著提高催化劑的電化學(xué)比表面積,使得Pd/C催化劑對(duì)甲酸電催化氧化的活性以及穩(wěn)定性均具有良好的提升效果。其次,Sn/C對(duì)甲酸的電催化氧化沒(méi)有影響,其只是具有協(xié)助的效果,真正發(fā)揮催化效果的是金屬Pd。然后我們又進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn),第一,Pd/C催化劑的配置和對(duì)甲酸氧化的電催化影響。第二,Pd-Sn/C催化劑的配置和對(duì)甲酸氧化的電催化影響。最后,檢測(cè)了Pd/C催化劑的電化學(xué)比表面積、甲酸電催化氧化活性以及穩(wěn)定性。該實(shí)驗(yàn)分別用了三種不同的催化劑來(lái)制得Pd/C催化劑,分別為:Pd/C(a)催化劑、Pd-Sn/C(b)催化劑以及Sn/C(c)催化劑,得到了如下結(jié)果,見(jiàn)圖1所示。
四、總結(jié)
通過(guò)上述內(nèi)容可知,電池行業(yè)為保護(hù)環(huán)境,節(jié)約能源,便不斷研究各種新的能源,以替代甲醇燃料,新的能源主要為:甲酸、乙醇和丙醇等。其中甲酸屬于最好的代替燃料,不僅安全,而且清潔環(huán)保。因此,本文便對(duì)催化劑的組分以及配置方面展開(kāi)了深入的研究,以增強(qiáng)甲酸的電催化活性,研究發(fā)現(xiàn)Pd對(duì)甲酸電催化活性有著良好的促進(jìn)作用,能夠直接氧化甲酸,并不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)CO,既安全又環(huán)保。由此本文又進(jìn)一步探究了Pd/C以及Pd-Sn/C催化劑對(duì)甲酸的電催化效果,效果均非常好,所以甲酸燃料能夠有效替代甲醇燃料,還會(huì)使燃料電池變得更小巧,便捷。
黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):202013299012。指導(dǎo)教師:寧晶、馬志強(qiáng)。
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