金屬Sn對PdC電催化活性的影響

劉宇涵 寧晶 馬志強(qiáng) 駱澄 徐菽陽 王悅 陳丹

摘要：本文主要研究的是金屬Sn對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：無毒無害、可燃性低、便于存儲及運(yùn)輸?shù)鹊?，同時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，則會生成CO2及H2O，不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，因?yàn)镻d對甲酸具有良好的電催化作用，所以研究金屬Sn對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，如果沒有能源，則人類就無法生存下去，但由于科技的飛速發(fā)展，使得能源開采越來越多，從而不可再生能源就越來越少，為保證能源供應(yīng)充足，人們便開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)注對象，燃料電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，其不僅轉(zhuǎn)換率大，而且對環(huán)境基本沒有太大的損害，所以目前燃料電池在電池領(lǐng)域?qū)儆谧罡咝А⒆罹G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題，主要為：成本較大、功率密度較小、燃料不利于存儲等等。同時燃料電池還會涉及到后期維修的問題，很多人都會擔(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，既沒有一定的保障，又會影響運(yùn)行效率。而且換完燃料電池，還需要更換過濾器，這也會顯著增大成本。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，燃料會在陽極發(fā)生氧化，從而失去電子，電子會從外部電路到陰極上，從而還原陰極的氧化劑，電解質(zhì)會把陽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，然后分別對這兩種催化劑的電化學(xué)性能展開研究，又運(yùn)用循環(huán)伏安法、線性掃描法和計時電流曲線法分別探究Pd/C及Pd-Sn/C催化劑對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個小時，然后用磁力攪拌器攪拌1個小時，隨后加入SnSO4溶液，再用磁力攪拌器攪拌1個小時，之后加入氨水，將PH調(diào)成8-9，再用磁力攪拌器攪拌2個小時，之后抽濾洗滌，真空干燥8個小時，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個小時之后，再加入PbCl2溶液，用磁力攪拌2個小時，然后加入2mol·L-1NaOH，把PH調(diào)成9，繼續(xù)用磁力攪拌1個小時，在超聲振蕩的時候就把甲酸加進(jìn)溶液里，然后磁力攪拌4小時，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，再抽濾洗滌真空干燥8小時，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個小時，然后加入2%的水合肼，還原2-3個小時，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PdC催化活性影響時，共需要10個小時。得到的結(jié)論有兩個，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對甲酸的電催化氧化沒有影響，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催化劑的配置和對甲酸氧化的電催化影響。第二，Pd-Sn/C催化劑的配置和對甲酸氧化的電催化影響。最后，檢測了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，見圖1所示。

四、總結(jié)

通過上述內(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，本文便對催化劑的組分以及配置方面展開了深入的研究，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)練計劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：202013299012。指導(dǎo)教師：寧晶、馬志強(qiáng)。

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