钯阳极催化剂的钝化和再活化作用对直接甲酸燃料电池(dfafc)性能的影响

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1、江苏科技大学译文学院冶金与材料学院专业冶金工程学生姓名付国俊班级学号0845562211指导教师陈滢二零一贰年六月钯阳极催化剂的钝化和再活化作用对直接甲酸燃料电池（DFAFC）性能的影响S.M.Baik,JongheeHan,JinsooKim,YongchaiKwon摘要目前很多学者正在研究直接甲酸燃料电池(DFAFCs)性能的衰退与恢复。对DFAFC的性能进行测试，分别用钯（pd）、铂(Pt)作为阳极和阴极催化剂,通过催化剂涂层喷射加入到Nafion膜中，随着DFAFC的反复使用，其电池性能逐渐衰退。这被认为是由

2、于在0.1至0.55V之间，Pd发生电化学氧化转化为Pd-OH。用循环伏安法(CV)来研究电池性能与Pd-OH的相关性及如何重新恢复电池性能。在CV实验中，加到DFAFC单电池中的电压低于0.7V（vs.DHE），由于Pd-OH的连续产生，电池性能进一步降低，相反，在CV实验中加载的电压超过0.9V（vs.DHE）的话，由于Pd-OH被氧化为Pd-O，Pd-O又被氧化为Pd这一氧化还原反应，电池的性能重新恢复。用ATR-FTIR和XPS来进一步证实Pd的转变。关键词：直接甲酸燃料电池，钯催化剂，钯激活，钯电氧化还原反

3、应，ATR–FTIR。1.引言最近，小型化电子设备比如军用电子设备等对燃料电池有了重大需求。直接甲酸燃料电池(DFAFCs),采用液体甲酸发电，DFAFC有极大的潜力用作燃料电池系统[1-3]。事实上，甲酸比其他燃料比如甲醇、氢具有更大的优点。例如，由于甲酸具有简单的分子结构和高开路电压，因此甲酸电化学氧化速度比甲醇高。而且，甲酸的燃料交换率低于甲醇，从而使使用高浓甲酸溶液和更薄的膜成为可能。与质子交换膜燃料电池（PEMFCs）相比，甲酸的毒性非常低[2-7],DFAFC可以避免潜在的爆炸危险，不需要储氢容器，能节约

4、成本。与PEMFCs相比，具有更高的气相能量密度[8]。DFAFCs使用甲酸作为燃料，因此被认为是比DMFCs和PEMFCs更适合的基准燃料电池系统。虽然铂（Pt）被用来作为DFAFCs的一种主要催化剂[4,6,8,9]，但是迄今为止，由于Pt的一氧化碳（CO）中毒，这种燃料电池的性能并不满足市场的需求。由于Pt中毒引起的电化学反应导致了甲酸的能量密度变低。反应（1）显示了甲酸的主要电化学反应。Pt+HCOOH→Pt-CO+H2O→Pt+CO2+2H++2e-(1)在这里，一氧化碳被强烈吸附在Pt上，抑制其进一步反应

5、，从而限制了Pt的活性。[4-6]为了解决这个问题,有必要去研究能够促进甲酸电化学反应的催化剂，从而提高燃料电池的效率和能量密度。为此，钯（Pd）一直被认为是一种替代催化剂[3,5,10]。重要的是使用钯作为DFAFCs的催化剂，电池所表现出的性能比铂（Pt）作为催化剂时优越[2,11]。由于钯起到了加速甲酸电化学反应的作用，从而提高了DFAFCs的性能。具体来说，通过钯的脱氢反应，甲酸电氧化产生二氧化碳（CO2）（见反应2）。Pd+HCOOH→Pd+CO2+2H++2e-(2)由于一氧化碳的吸收，钯失活的机会很小，

6、因此通常钯比铂在DFAFCs中具有更好的活性[4,10-14]。尽管如此，目前还不清楚钯和甲酸在DFAFC中到底发生了哪些反应。此外，虽然纳入钯的DFAFC电池性能比铂高，但是前者更稳定。[11]这些结果表示，在DFAFC中，钯不仅仅参与脱氢反应，还控制其他反应。然而尽管钯在DFAFC中有一个重要地位，但是很少有人知道钯阳极催化剂在DFAFCs工作时是如何影响甲酸氧化还原反应的，有一些研究小组建议建立一个钯存在的情况下的甲酸的反应模型。在报告中，周等人[15]和潘等人[16]提出最初的甲酸（HCOOH）分解成钯表面吸

7、附的甲酸盐离子。然后羧基离子分解成二氧化碳。Miyake等人[17]报道，甲酸和水分子在甲酸溶液中作为羧基离子和羟基离子分别被吸附在钯的表面。被钯吸附着的COOH和OH反应生成CO2和H2O。周等[18]发表观点称被吸附在钯表面的CO和OH后续反应产生CO2。在本研究中，我们揭示了一种不同于上述反应的钯电化学反应途径。建议利用多重衰减全反射傅立叶转换红外光谱仪（ATR-FTIR），如表面分析技术和X射线光电子能谱（XPS）以及循环伏安法（CV）等进行评估其电化学特性。2.实验在电池检测中，通过催化剂涂层膜（CCM）制

8、成有效面积为9.0cm2的膜电极组件（MEAS）。分别用钯黑催化剂（Sigmae-Aldrich，高比表面积）和铂黑催化剂（JohnsonMatthey公司，HiSPECTM1000）被分别用来制备阳极和阴极电极。把催化剂粉末分散到用Millipore公司的纯净水重新配置的5%的Nafion溶液（Solution技术公司1100EW）中制成墨水