IJCE 国际化学工程杂志》上 1687 - 8078 1687 - 806 x Hindawi 10.1155 / 2021/8894768 8894768 研究文章 电化学性能改善催化剂的甲醇Microfuel细胞使用碳纳米管 https://orcid.org/0000 - 0003 - 2369 - 9486 齐米Nasrabadi 默罕默德 1 Ebrahimi-Moghadam 阿米尔 2 https://orcid.org/0000 - 0001 - 5294 - 9646 库马尔 Ravinder 3 Nabipour Narjes 4 Vorhauer-Huget 妮可 1 航空航天工程部门 Shahid Sattari航空科技大学 德黑兰 伊朗 2 机械工程学院 Shahrood科技大学 Shahrood 伊朗 shahroodut.ac.ir 3 机械工程系 可爱的专业大学 Phagwara 旁遮普14411 印度 lpu.in 4 研究所的研究和发展 Duy谭大学 岘港550000 越南 duytan.edu.vn 2021年 28 5 2021年 2021年 17 8 2020年 20. 5 2021年 28 5 2021年 2021年 版权©2021年穆罕默德Kazemi Nasrabadi et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

在本研究中,electrocatalytic活动platinum-ruthenium纳米粒子在碳纳米管和炭黑在甲醇氧化反应研究。此外,一个被动的电化学性能直接甲醇燃料电池由两种不同electrocatalysts已被报道。物理表征和电化学测试揭示PtRu在碳纳米管的优越性。根据伏安法的结果,发现甲醇氧化反应动力学nanotube-supported催化剂已得到改进。氧化反应的电流密度增加了62%,比1 black-supported碳纳米管样品。电化学测试结果表明,碳纳米管microfuel电池的性能提高37%,最大的功率密度,比炭黑。此外,样品由碳纳米管的抗有毒中间物种被发现比碳black-supported 1 3%。根据计时电流法测试结果,得出的结论是,碳纳米管的性能和可持续性electrocatalyst相比,显著改善炭黑electrocatalyst从长远来看。

 1。介绍

不同的清洁能源技术评价近年来替换当前的能源系统,使用化石燃料( 1]。不同的发电技术中较低的温室气体排放与传统化石燃料系统相比,燃料电池有一些优势 2]。燃料电池燃料的化学能直接转换成热量和电力通过一组电化学反应。燃料电池结构的主要部分是组装膜电极(MEA),它指定的类型和功能细胞( 3]。效率高、环境兼容性,简单维护、零噪音污染,以及能够使用不同的燃料如氢气、甲醇、乙醇、燃料电池的优势( 4]。直接甲醇燃料电池(dmfc)的子类polymer-exchange膜甲醇作为燃料使用的燃料电池。利用液体燃料促进了安全使用这项技术更广泛的应用,从便携式电子设备、电动汽车( 5]。

尽管许多研究了甲醇燃料电池在最近二十年里,还有应该解决的挑战。这些挑战之一是催化剂层[Pt的比例很高 5]。改善催化剂基质的性质可以导致更高的效率和减少的消费昂贵的Pt。由于高的比表面积、高电导率和低价格,炭黑(CB)是常用的electrocatalyst dmfc的支持。另一方面,CB往往会迅速腐蚀,患有低效率在金属催化剂利用率( 6]。工作的重点是取代以非凡的物理和电气性能新材料,如碳纳米管(CNT) [ 7]。

石墨纳米纤维已经被调查的Pt质子交换膜燃料电池的支持。结果表明,腐蚀降低了一半的支持,和催化剂稳定性提高Pt / CB[相比 8]。三维graphene-supported PtAu复合一直对甲醇氧化反应的特点。结果显示较高的比表面积和较高的electrocatalytic活动与商业使用Pt / CB [ 9]。超声治疗微碳纳米管的电化学表征PtRu支持说明催化剂的优越性在电化学表面积和甲醇氧化反应的活动( 10]。通过比较MWCNT / Pt, DWCNT / Pt, SWCNT / Pt、Dongmulati Baikeri [ 11)得出的结论是,使用MWCNT / Pt作为催化剂在燃料电池比其他两个国家由于其高的比表面积。

无碳催化剂支持如介孔二氧化硅和金属氧化物材料近年来吸引了注意力。Yu et al。 12)使用Pt-Ru-NiTiO3纳米颗粒,发现它的催化活性高于PtRu / C和爆发潜力成为60 mV更加消极。Bilondi et al。 13)涂布PtRu纳米颗粒氧化铈(CeO2),增加了甲醇的氧化反应活性比裸PtRu electrocatalyst,功率密度增加1%每厘米2。

因为很少有研究关注于被动式dmfc,目前的研究集中在比较PtRu / CNT的电化学性能和PtRu / CB。在下一步中,作者捏造量由PtRu /问和PtRu / CB在阳极方面和Pt / CNT阴极一侧和Pt / CB调查electrocatalytic性能的操作条件下一个被动式DMFC。

 2。材料和方法 2.1。Electrocatalyst合成

炭黑、碳纳米管微hexachloroplatinic酸(H2竞购6.6H2O),氯化钌(RuCl.3H2O)、丙胺硼氢化钠(NaBH4)、氢氧化钠(氢氧化钠)、丙酮和去离子水被用来合成催化剂和准备样品。在这项研究中,浸渍还原法被用于合成electrocatalyst PtRu 1: 1原子比例,用硼氢化钠作为还原剂和异丙醇为溶剂。100毫克的CB或MWCNT均匀分散在100毫升溶剂组成的异丙醇(IPA)和去离子水的比率2:1在超声波探头设备1小时。之后,所需数量的铂和钌的解决方案(PtRu催化剂重量的20%)被添加到悬架,放在搅拌器环境温度的一个小时。在下一步中,溶液的pH值被设置为10使用0.5米的氢氧化钠溶液。然后,所需数量的0.1 NaBH4解决方案在去离子水添加还原剂是一滴一滴地悬挂在磁力搅拌器60°C 2到3小时。合成过程持续了12个小时在环境温度下完成还原反应。最后,electrocatalyst多次清洗和离心机和干60°C真空炉12小时( 2]。

 2.2。物理测量

研究了微晶结构通过X射线衍射(XRD)技术使用X 'Pert飞利浦(PW3040)与Cu-K衍射仪 α( λ= 1.5406 40 kV和40 mA)来源。electrocatalysts的表面形态是由扫描电子显微镜(SEM、新星NanoSEM 450)和透射电子显微镜(TEM、飞利浦EM208S)在100千伏。调查关键元素的存在和百分比,能量色散x射线能谱(EDX)受雇于力量XFlash模块。

 2.3。电化学测量

伏安法是主要的工具来获得重要信息的催化剂的性能和它的一些关键特性包括活性表面积,活动,在铁道部和耐用性。在这个研究中,三电极电池连接到一个稳压器(纳米RNF)已经被用来确定electrocatalysts的电化学性能。它由玻碳电极(GCE)直径2毫米为工作电极,铂盘电极和反电极,半电池Ag / AgCl作为参比电极。

准备催化剂墨水,1毫克的PtRu / C electrocatalyst已经分散在300年 µL的去离子水和异丙醇的比例1:5。然后,20 µL 5%作为离子交联聚合物电解质的解决方案是添加促进离子的交换中产生氧化反应。30分钟的超声波清洗器被用来分散催化剂墨水均匀。在这一步中,10 µL催化剂墨水的红外光下GCE表面涂层。的加载PtRu在电极表面面积计算为0.2毫克/厘米2。

伏安法测量包括循环伏安法(CV)和计时电流法在室温下表现在0.5 H2所以4包含1 M甲醇溶液作为电解液在一个无氧的条件 7]。

方法过程的示意图见图 1。

示意图的方法。

 3所示。结果与讨论 3.1。显微分析

的表面形态和纳米结构electrocatalysts调查了SEM和TEM分析。数据 2(一)和 2(b)的扫描电镜图像CB和问,分别。可以观察到,有一个独特的结构区别CB和问。CB初级粒子是球形的直径50 nm,形成聚合集群,而扭曲的海藻问形成了多孔网络结构。此外,TEM图像合成PtRu双金属electrocatalyst碳纳米管在100海里呈现在图的规模 2(c),很明显,凝聚金属纳米颗粒很好问表面的分布。大表面积的碳纳米管有可能更有效地吸收金属制备的CB [ 14]。

扫描电镜的图像CNT CB (a)和(b)。TEM图像PtRu / CNT (c)。

在合成样品中化学元素的组成决定使用EDX测试(图 3)。根据EDX分析结果PtRu的真正重量百分比为22%(原子百分比的Pt、俄文和CB是1.2%,1%,和97.8%)和Pt的真正重量百分比为21%(原子Pt的比例是1.6%),表明金属催化剂的合成碳支持做得好( 15]。真正的Pt和PtRu所有的样品是一样的理论值的20%。

EDX (a)的形象PtRu装载阳极和阴极(b) Pt加载。

 3.2。光谱分析

图 4XRD结果显示PtRu CNT / CB和PtRu /样品。第一个衍射峰出现在26°27°的角度对应于石墨C(002)基准平面。electrocatalysts的XRD模式显示四个衍射峰与Pt的面心立方晶体结构,对应于(111),(200),(220)和(311)面,而俄罗斯原子取代的Pt的晶体结构。

阳极的合成样品的x射线衍射模式。

从图 4,一些关键数据PtRu催化剂可以计算。表 1说明了计算参数。较低的晶格参数electrocatalysts相比纯Pt ( lPt / C= 0.392海里)表明,俄罗斯进入了工党晶格和Pt的合金和俄文成立。平均晶粒大小和PtRu / CNT催化剂表面积3.6 nm和86米2分别/ g。然而,相应的数据PtRu / CB催化剂4.56 nm和69米2分别/ g。从上面的数据可以观察到,尽管俄罗斯原子分数大约是相同的,问表面提供了更强的活性金属纳米粒子的成核和稳定的网站。PtR纳米粒子之间的相互作用和问表面导致晶体表面积增加了25%。

根据XRD测试参数计算。

催化剂 微晶尺寸(纳米) 晶格参数(A) 俄文原子分数 金属表面区域(m2/ g)
PtRu / CB 4.56 3.884 0.25 69年
PtRu /问 3.6 3.887 0.22 86年
3.3。电化学分析

在0.5米的硫酸溶液循环伏安法是一种有效的方法来测量不同合成催化剂的活性电化学表面积。图 5图显示了伏安法获得PtRu / CB和PtRu /问。很明显,通过增加向前扫描电压,电流峰值发生在−0.19 V,显示了electrocatalyst表面氢的解吸。另一方面,当前反向扫描下降归因于氢electrocatalyst表面的吸附。电化学表面积(ECSA)发起可以从图计算 5。使用双层区域校正,ECSA PtRu /问发起的数量估计为52.32/ g远远高于PtRu / CB催化剂(27.6米2/ g) ( 16]。越高ECSA CNT-supported催化剂是归因于发起小粒度的PtRu提供更容易获得活跃的站点PtRu CNT /催化剂。

循环伏安法测试合成的样品。

甲醇氧化反应的催化剂的性能(铁道部)调查履历技术在0.5 M硫酸和1 M甲醇溶液在室温下。如图 6所示,第一个峰在0.7 V向前扫描( 我 f)是铁道部相关活动。第二个峰在0.52 V反向扫描( 我 r)与氧化的中间物种中创建铁道部。 我 f/ 我 r比例是用于指定抵抗有毒中间物种( 17]。

循环伏安法测试合成的样品。

PtRu / CNT显示更高的电化学活动而PtRu / CB催化剂。的最大铁道部电流密度47.2 mA /厘米2获得PtRu /问,1.6倍PtRu / CB催化剂。考虑到大ECSA PtRu /发起问PtRu / CB催化剂相比,铁道部的结果是可以预见的。此外, 我 f/ 我 r比率表明PtRu / CNT催化剂抗CO。表达分析结果更清楚,表 2显示的信息。

比较electrocatalytic活动、电流密度和催化阻力。

样品 我 f(马厘米−2) V f(V) 我 r(马厘米−2) V r(V) 我 f/ 我 r
PtRu / CB 29.22 0.695 29.58 0.51 0.98
PtRu /问 47.2 0.7 46.51 0.525 1.014

耐久性改善electrocatalyst是其中一个重要的燃料电池领域的研究兴趣。长期electrocatalytic活动和样本的稳定性测试和检查使用计时电流法分析(图 7)。在这个测试中,一个常数0.7 V的潜力应用于1000年代的电极,在N2饱和溶液包含0.5 H2所以4甲醇和1米。电流密度是策划作为时间的函数。

计时电流法合成的样品进行测试。

起初,电流密度迅速下降是由于生产和积累的中间物种。由于更高的抵抗PtRu /问中毒的物种,它有更少的起始电流下降PtRu / CB相比,1000年代后,电流密度达到21.1 mA /厘米2。相反,PtRu / CB样本显示中间物种阻力小,最高的电流下降是观察到第一秒,最后达到8.3 mA /厘米2,丰富的三分之一CNT-supported PtRu [ 18]。

最后,在那之后,捏造被动甲醇microfuel细胞(图 8),这是使用两个不同的测试量包括CNT-based MEA (Pt / CNT(阴极)和PtRu /问(阳极))和CB-based MEA (Pt / CB(阴极)和PtRu / CB(阳极))。在3 M甲醇溶液进行分析,和极化曲线如图 9和 10。

示意图的制作甲醇microfuel细胞。

极化曲线的两套量下细胞操作。

功率曲线的两套量下的单元操作。

通过比较这两个量的电流电压曲线,较低的电流密度(清廉mA /厘米2)——该地区相关损失的活化能和甲醇crossover-a电压大幅下降。目前中等密度(70 mA /厘米2),活动改善催化剂会导致一个更稳定的电压。在高电流密度(超过70 mA /厘米2),由于化学反应速率,增加燃料消耗增加。因此,减少孔隙度CB结构相比,MWCNT导致较弱的刺激和更清晰的电压降。因此,可以得出结论,使用PtRu /问会导致减少损失促进传质( 19]。

由于高效的催化剂粒子的分散和分布在问,显著提高电力生产燃料电池的观察能力。表 3总结了燃料电池的测试结果。结果的基础上,通过使用CNT-supported electrocatalysts,燃料电池的性能已经在最大功率密度增加约37.1%。问,而不是利用CB增加了燃料电池功率和提高催化活性。

的比较结果,燃料电池的最大输出功率不同的催化剂。

测试温度(°C) 阴极催化剂 阳极催化剂 最大功率密度(mW厘米−2) 支持催化剂
60 Pt PtRu 16/133 CB
60 Pt PtRu 22/12 MWCNT
4所示。结论

在这项研究中,热合被用来支持PtRu粒子的electrocatalyst DMFC,和商业上使用的性能与炭黑。测试和分析的基础上进行的这项研究中,取得了以下结果。

EDX、SEM和TEM分析证实了PtRu沉积的表面制备碳材料和确定元素的重量百分比。XRD模式表示的更小的金属颗粒和高表面积electrocatalyst问CB相比,这源于CNT强相互作用和金属催化剂。

酸溶液中的循环伏安法测试的基础上,主动电化学表面积PtRu /问计算为52.3 m2/ g的1.9倍,PtRu / CB(27.6米2/ g)。PtRu的CV测试还显示优越的活动/ CNT在甲醇氧化反应(47.2 mA /厘米2和61.5%的增长相比PtRu / CB)和更高 我 f/ 我 r率,这意味着更多的宽容有毒的物种。计时电流法测试表明CNT-supported electrocatalysts更耐用,长期有更高的电流密度。单元测试显示,最高功率密度PtRu /问和PtRu / CB 22.12 mW /厘米2和16.133 mW /厘米2,分别。甲醇氧化发生潜在的这是一个标准动态改进的铁道部问从5.3 V PtRu / CB为PtRu 4.4 V /问。总之,根据提取的结果从这个研究,部署碳纳米管在支持PtRu纳米颗粒显著提高electrocatalysts的活动,因此增加了燃料电池的输出功率。

 缩写 CB:

炭黑

 问:

碳纳米管

 简历:

循环伏安法

 DMFC:

直接甲醇燃料电池

 ECSA:发起

电化学表面积

 谱:

能量色散x射线光谱

 全球教育运动:

玻璃碳电极

 意味着:

膜电极组件

 铁道部:

甲醇氧化反应

 MWCNT:

微碳纳米管

 扫描电镜:

扫描电子显微镜

 透射电镜:

透射电子显微镜法

 XRD:

x射线衍射。

 数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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