直接肼燃料电池关键问题的分析

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1、摘要提高催化剂催化性能和降低肼的毒性一直是直接肼燃料电池(DirectHydrazineFuelCell，DHFC)亟待解决的两个关键问题。本文采用循环伏安法、电化学阻抗谱和恒电流放电等电化学方法对肼(N2l-h)在复合催化剂上的电化学氧化反应机理进行了研究．发现了肼电化学氧化的新机制，为如何选择高活性的阳极催化剂提供了实验和理论依据。在降低肼毒性方面，对于固定水合肼方面做了一些有益尝试。应用温敏性水凝胶储存水合肼，以期方便肼燃料的储存、运输和使用．在阳极催化剂方面，本文为研究肼在Pd-Ni复合催化剂上的电化学氧化反应机理合成了纳米碳管(Ca

2、rbonNanoTubes，CNT)担载Pd．Ni复合催化剂．研究结果表明，Ni在肼电化学氧化过程中容易形成Ni(OH)2，低温下(25oC)Ni／CNT催化剂对N2H4氧化活性不高；高温下(60oC)，由于Ni(OH)2被肼还原生成金属Ni，从而表现出了高活性。通过Ni催化剂中掺入Pd，可以有效抑制肼电化学氧化过程中Ni(OH)2的形成，实现低温下催化活性的提高。其原因在于Pd催化剂能够在碱性肼溶液中形成钯氢化合物(PdHx)。PdHx化合物能够还原Ni(OH)2生成金属Ni，从而发挥出Ni催化剂的高催化活性．同时PdHx中的氢被消耗以后产

3、生的Pd也具备对肼电化学氧化反应的催化能力，所以Pd-Ni／CNT复合催化剂中的Pd和Ni表现出对于N2H4电化学氧化反应的协同效应．在Pd-Ni复合催化剂中进一步添加Zr-Ni储氢合金可增强原子氢在肼电化学氧化过程中对Ni催化剂上Ni(OH)2形成的抑制作用，研究结果表明，Pd，Ni和储氢材料的复合催化剂的展示出更好的催化活性，其性能是Pd-Ni复合催化剂的I．5倍．对比VIIIB族元素中的Fe，Co、Ni对N2H4电化学氧化的催化活性，研究发现，Fe／CNT和Co／CNT催化剂的催化性能都不如同条件下的Ni／CNT催化剂．Fe／CNT催化

4、剂的表面在常温时容易被氧化为对N2H。催化活性不佳且很难被还原的Fe304，使其无法表现出良好的性能．Co／CNT催化剂的表面在常温时也容易被氧化为对N2H4电化学氧化性能不佳的钴氧化物．在高温时虽然被氧化的表面可以被N2H4重新还原为金属Co，但是N2H4在金属Co表面的电化学氧化反应是l电子反应，会发生很多副反应，N2H4燃料的利用率较低。在固定水合肼方面，合成了温敏性水凝胶，其低温临界溶解温度为350c．经过改性聚N一异丙基丙烯酰胺水凝胶(PNIPA)，得到具有较好肼溶液吸附性能以及快速脱附性能的PNIPA型凝胶．实验证实了PNIPA凝

5、胶在DHFC中能够充分发挥作用，吸收在PNIPA凝胶中的肼溶液能在发电过程中顺利脱附，DHFC产生持续电流。关键词：直接肼燃料电池，阳极催化剂，肼电化学氧化机理，肼，水凝胶ⅡAbstractImprovingtheactivityofcatalystsandaddressingthesafetyissueofhydrazineutilizationarekeyconcernsinthedevelopmentofdirecthydrazinefuelcell(DHFC)technology．Inthiswork,bycyclicvoltamme

6、ry,electrochemicalimpedancespectroscopyandgalvanostaticanalysis，themechanismofhydrazineoxidationreaction(HOR)oncompositecatalystshasbeeninvestigated．AnewrouteofHORonthecompositecatalystwassuggested．IronfamilyelementsincatalystwouldbeelectrooxidizedduringHOR．Theoxidizedcompo

7、nentinthecatalystcanbechemicallyreducedbyhydrazinethroughaddingPdand／orhydrogenstoragealloy,whichsignificantlyimprovesthecatalysiseffciency．Onthedepressionofhydrazinepoisoning,localizationofhydratedhydrazinewasattemptedbytheuseoftemperature—sensitivehydrogel，tofacilitatethe

8、storagetransportationandtheuseofhydrazinehydrate．IntheresearchofanodecatalystforHO