应用于锌-空气电池的新型碳载钴-聚噻吩复合催化剂.pdf

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1、第27卷第l2删应用化学Yo1．27No，122010乍12¨CHINESEJOURNA1OFAPPIlEDCHEMISTRYDec．20l0应用于锌．空气电池的新型碳载钴一聚噻吩复合催化剂孙新阳周德璧吕董谭龙辉赵伟利(中南大学化学化学院长沙410083)摘要采用化T-氧化聚合法合成厂以碳为载体的铺一聚壤吩复合物(Co—l~h／C)作为气体扩散电极氧还催化剂。通过扫描电子徽镜一能量色散X射线能潜(SEM—EDX)、透射}乜子显微镜(TEM)等测试技术对催化利进行表。表明．Co—PTh／C艘化剂颗粒的粒径为l()～30Dil

2、，H分布均匀。利用极化曲线、交流阻抗等电化学方法测试r其在碱性介质中6mol／1KOH)对氧还原的催化性能。此催化刹在碱性介质中空气气氛条什卜，电极电位一0．20V(2．Hg／HgO)时电流密度达到0．152A／cm，催化性能高于质量分数5％Pt／C，显示出优越的氖还原【乜催化性能。采取催化层／集流体，扩散层的排布方式．以纯锌为负极，6mol／L的KOH为电解液，将气体扩散电极与锌负极组装成锌一空气电池。电池以0．075A／cm进行恒流放电，放电电压为1．1V且性能稳定。关键词聚噻吩，氧还原，气体扩散电极，电流密度中分类号

3、：0646文献标识码：A文章编号：1000-0518(2010)12—1424-06DO1：10．3724／SP．J．1095．2010．00041锌一窄气电池具有能量高、密度高、比容量好、使用安全等优点。正极氧还原反应超电位高、动力学缓慢，目前主要采用以碳为载体的铂及铂系催化剂。但铂金属成本高，在世界范围内资源匮乏，难以普及应用¨。j。以碳为载体的金属氮化物(如金属酞菁、金属卟啉等)具有良好的氧还原催化活性，但其稳定性较差。。20世纪60年代初，研究人员发现生物体内铁硫蛋白(含Fes、Fes)对呼吸作用氧还原有促进作用。

4、Susac等研究发现co—s、Ni—s(如CoS、NiS等)体系对氧还原有一定催化活性，因此金属硫化物类催化剂逐渐为人们所发现并成为研究热点。导电高分子聚吡咯(PPy，polypyrrole)、聚苯胺(PAn，polyaniline)、聚噻吩(PTh，polytbiophene)等具有易合成、高导电率、稳定性好等优点，已，‘泛应用于传感器、功能分子膜、二次电池等工业领域⋯。。Bashyam等¨、Qi等和Lee等¨用导电高分子PPy和PAn与Co配合分别形成氮化物Co—PPy／ClJ。和Co—PAn／Cl】7j，它们对氧还原

5、有显著的催化效果和稳定性。他们认为Co．PPy／C和co．PAn／C中产生了大量Co—N结构，该结构可能是催化剂的氧还原活性中心。PTh具有与PPy和PAn类似的芳香性结构，作者推测PTh与co配合形成的硫化物Co．PTh／C也可能产生大量Co．S，结构，从而对氧还原显示一定的催化效果，~NScbeme1所示。关于此类金属硫化物应用于碱性燃料电池，国内外还未曾出现相关文献报道。NCoCoCOC0．PAn／CScheme1Schematicdiagramofcomplexes2010-01—19收稿，2010-03—29修回

6、通讯联系人：周德璧，男，教授，博士生导师；E—mail：zhoudb@nmil．CSU．edu．cn；研究方向：电化学第12期孙新阳等：应朋于锌一空气电池的新型Co—PTK／C复合催化剂本文以酸处理碳黑VulcanXC一72为载体，噻吩(thiophene)为主要原料，过硫酸胺为氧化剂，低温氧化聚合生成导电高分子聚噻吩(PTh／C)后再与co配合合成硫化物Co—VFh／C。研究了所制备电极在碱性介质中氧还原的电催化性能，组装了锌一空气电池并测试了其放电性能。1实验部分1．1试剂和仪器碳黑VulcanXC一72(美国Cabo

7、t公司)，噻吩(上海国药集团)，过硫酸胺(广东光华化学有限公司)，硝酸钻(上海同药集团)，硼氢化钾(天津化学试剂研究所)，以上试剂均为AR级，Pt／C(含质量分数5％Pt，US．Engelhard)，其它试剂均为分析纯。采用口本产JSM-6360LV型带能谱的扫描电子显微镜对样品进行元素分析；采用日本产JEOL一1230型透射电子显微镜对所制备催化剂的形貌进行表征，电子显微镜加速电压为100kV。将少量Co-PTh／C样品超声分散于乙醇溶液中，形成均匀的悬浮液，将悬浮液置于铜网上，待乙醇挥发后进行观察。1．2Co-PTh／

8、C的制备1．2．1碳载体的预处理将碳黑VulcanXC．72放入6mol／LHC1溶液中去除氯化物杂质。过滤后用大量去离子水清洗，再用65％的硝酸溶液氧化，过滤后用大量去离子水清洗，然后在干燥箱中干燥24h，研磨后存放备用。1．2．2FI'h／C的合成将3g酸处理碳黑加至圆底烧瓶中，加入30mL去离子水