调查的性能 非盟 核心 - - - - - - Pd 壳牌 / C的阳极催化剂直接Borohydride-Hydrogen过氧化氢燃料电池

文摘

carbon-supported的核壳结构双金属Au-Pd催化剂是由连续的还原法。核壳结构、表面形态和电化学性能的催化剂,其特征是x射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM),紫外-可见吸收光谱法、线性扫描伏安法、计时电势分析法。结果表明,Au-Pd / C核壳结构催化剂表现出更高的催化活性NaBH的直接氧化₄比纯Au / C催化剂。直接borohydride-hydrogen过氧化氢燃料电池,Au-Pd / C核壳结构作为阳极催化剂和非盟/ C作为阴极催化剂,显示了高达68.215 mW厘米⁻²功率密度。

1。介绍

燃料电池是一个有吸引力的类可再生和可持续的能源替代传统能源,如石油储量有限。在所有类型的燃料电池,直接borohydride-hydrogen过氧化氢燃料电池(DBHFC)最近吸引了越来越多的关注,因为一些优秀的特性,比如开路电位高、操作温度低、高功率密度(1- - - - - -8]。DBHFC组成的在阳极氧化和H₂O₂在阴极还原;因此,它可以作为一个有前途的空间和水下电源应用。一般来说,发展的关键DBHFC阳极electrocatalyst曹et al。(9]准备了Au / Ni-foam自发沉积电极的Au纳米颗粒在泡沫镍的基础上实现了开路电压约为1.07 V和峰值功率密度的100 mW厘米⁻²马在170厘米⁻²和0.6 V 60°C。Chatenet et al。10摘要]报道,可以交换约7.5电子盟和Ag)关于4个电子的电极与Pt电极。盟和Ag)电子利用效率高电氧化是由于他们的低活动水解。然而,催化剂,导致较低的活动水解,同时具有较低的催化活性电化学氧化反应。因此,它是非常重要的对于DBHFC应用程序开发的高度活跃的electrocatalysts硼氢化氧化反应(BOR)。

在我们先前的工作,高度活跃的催化剂如carbon-supported中空金纳米粒子(HAu / C) (11,12]和AuCo / C [13研究了。通常,核壳结构是一种有效的形态,以提高催化活性。核壳双金属纳米粒子的催化活性的提高是由于独特的结构在电催化作用,近年来已得到了太多的关注(14]。此外,核壳结构相关的活动与底层之间的接口的核心和壳金属由于双金属机制(15]。据报道,核壳纳米颗粒催化剂如Ni@Pd /碳管(16)和葡_壳牌非盟_核心/ C [17)有效提高甲醇电氧化的催化活性。钯作为催化剂的外壳是一个适当的选择因为它有类似铂催化活性,比前者更贵。摘要carbon-supported与核壳结构双金属Au-Pd催化剂是由连续的还原法。电化学性能的硼氢化氧化反应进行的线性伏安法、计时电流法、计时电势分析法和燃料电池性能测量。

2。实验

2.1。Carbon-Supported制备核壳Au-Pd纳米颗粒

据报道其他地方(非盟种子的制备18,19]。简洁,citrate-stabilized Au纳米颗粒被NaBH准备₄减少0.5毫米HAuCl₄的柠檬酸三钠的水溶液在100毫升的冰超纯(18.2 kΩ)水搅拌(20.]。搅拌是持续了12 h分解未反应的NaBH₄。然后0.25毫升0.1 H₂PdCl₄水溶液和刚做好的1.25毫升0.1抗坏血酸水溶液在一滴一滴地添加到非盟水溶胶。解决方案是不断搅拌2 h,然后添加50毫克火神xc - 72 r碳浆(金属负载20 wt。%)。搅拌5 h后,暂停过滤固体产品中恢复过来,这是完全用水洗和酒精。恢复固体产品是一夜之间在真空干燥80°C。相比之下,carbon-supported单本位制的Pd和非盟和样品相同整体金属加载由相似的过程。

2.2。阳极催化剂的表征

透射电子显微镜(TEM)的样品是准备把一滴样品浆铜网格上紧随其后的是干燥器干燥。电子显微图拍摄与范Tecnai G2显微镜在200千伏。一个衍射仪(D / MAX-3C)采用使用铜Kα辐射(在50 kV)和石墨单色器,100毫安,获得样品的x射线衍射谱。连续x射线扫描进行了从10°- 90°的2θ。花水的紫外可见光谱测量的λ25光谱仪配备石英细胞。

2.3。电化学阳极催化剂的性能

传统三电极电池是用于执行阳极催化剂的电化学测试25°C CHI660A电化学工作站。Au-Pd / C作为工作电极,一个泡沫镍网3×5厘米²对电极和一个Ag / AgCl氯化钾_性病参比电极。电解液NaBH是0.1米₄+ 3.0 M氢氧化钠。工作电极是如下:准备5毫克的Au-Pd为2 h / C粉末是由超声分散在0.5毫升0.125毫升5 wt的混合解决方案。%电解质溶液和去离子水0.375毫升。然后5μL的浆粘贴表面的玻璃碳电极(GC)(直径3毫米)抛光到镜面的0.5μ米氧化铝和用近5分钟前使用。GC的分散催化剂表面干5 h在环境温度。

2.4。燃料电池测试

直接NaBH的性能₄- h₂O₂燃料电池(DBHFC)是由一个电池测试评估系统在25°C标准大气压力。直接NaBH的示意图₄- h₂O₂燃料电池是如图1,它由非盟/ C阴极,核壳Au-Pd / C阳极,激活117年全氟磺酸膜分离器、阳极液1 M NaBH组成₄+ 3 M氢氧化钠,阴极电解液组成的2 M H₂O₂+ 0.5 M H₂所以₄。新鲜的阳极液和阴极电解液不断提供和退出细胞0.7毫升的速度最小⁻¹在测试过程中。步骤5中的负载应用马马0 - 150的范围内。每一步持续了2分钟,当前不断应用从一个值到下一个细胞没有断开。

催化剂墨水是由混合电解质溶液和carbon-supported催化剂和异丙酯涂在不锈钢网。然后在80°C在真空干燥12 h和压在16 MPa 1分钟。最后,装载催化剂的质量大约是4.5毫克厘米⁻²。

3所示。结果与讨论

3.1。物理特性

图2显示非盟的XRD模式/ C,核壳Au-Pd / C和Pd / C。如图2相当宽的衍射峰在所有的三个样品归因于火神xc - 72 r碳(002)晶面。在非盟和核壳Au-Pd催化剂,还有其他五个主要特征峰,这可能是由于面心立方(fcc)晶体结构非盟(111),(200),(220),(311)和(222)。这些都表示没有孤立的大型Pd在核壳粒子和散装Au-Pd合金阶段Au-Pd / C催化剂。的形态和粒子分布carbon-supported Au / C,核壳Au-Pd / C和Pd / C样本显示在图3。相应的大小分布的直方图electrocatalysts也同时给出数据3 (d),3 (e),3 (f)。它可以看到从图3的球状纳米粒子均匀分散在碳表面的支持者。非盟的平均直径、核壳Au-Pd和Pd粒子样本计数超过300个粒子被约5.955 nm, 6.705 nm,分别和3.613海里。通常,核壳结构的粒子的大小,,可以计算21] 在这里,测量非盟粒子大小;和分别为学术Pd和非盟摩尔体积;(Pd)和(非盟)是两种金属的总浓度,分别。它被发现从上面的公式计算核壳Au-Pd粒子的大小是6.719海里,这是接近实际测量颗粒大小(6.705海里)。此外,计算Pd壳厚度约0.375纳米。

盟胶质溶液的吸收光谱,核壳Au-Pd水溶胶,和混合Au-Pd水溶胶被显示在图4。吸收峰定位在516 nm,归因于非盟的表面等离子体共振(SPR),可以清楚地观察到非盟水溶胶。的混合Au-Pd水溶胶,非盟等离子体吸收峰略有下降,因为非盟水溶胶浓度的降低。然而,核壳Au-Pd水溶胶,其余非盟等离子体吸收峰表明,Pd壳不太厚压倒的SPR响应Au纳米颗粒(22]。

3.2。电化学阳极催化剂的性能

图5显示,线性扫描voltammogram (LSV)不同催化剂的0.1 M NaBH₄+ 3.0 M氢氧化钠溶液25°C的一个潜在的扫描速度20 mV在−1.2 V至0.6 V的潜在范围与Ag / AgCl。的具有核壳结构和Pd Au-Pd / C / C表现出更多的消极的最初反应比非盟/ C由于潜力水解。非盟/ C的电流密度,核壳Au-Pd / C,马和Pd / C是20.80厘米⁻²马,24.35厘米⁻²马和27.89厘米⁻²−0.2 V和Ag / AgCl分别。的峰值电流密度Au-Pd马/ C(34.65厘米⁻²)几乎是接近马Pd / C(35.44厘米⁻²),约1.7倍的非盟马/ C(20.80厘米⁻²)。除此之外,该地区封闭在核壳LSV Au-Pd / C电极显然比在非盟C / C和Pd /电极。显然,上述结果表明,核壳Au-Pd / C催化剂有更好的催化活性比纯盟和Pd的催化剂。此外,核壳Au-Pd / C (4.25 wt。% Pd加载)比Pd / C (20 wt更经济。% Pd加载)。核壳的原因Au-Pd / C硼氢化氧化反应的催化活性增强可能与非盟之间的远程电磁增强核心和Pd壳(23]。

计时电势分析法是一个有用的定性筛选催化剂的方法,因为它模拟燃料电池的恒流运行。图6曲线显示,计时电势分析法氧化Au / C,核壳Au-Pd / C和Pd / C马电流密度为8.5厘米⁻²0.1 NaBH的解决方案₄分别为+ 3 M氢氧化钠。开路电位((ocp)−0.953 V和Ag / AgCl Au / C,−1.203 V和核壳Au-Pd / C Ag / AgCl−1.188 V和Ag / AgCl Pd / C。120年代后,操作非盟潜力/ C,核壳Au-Pd / C和Pd / C−0.653 V,−0.920 V,分别和−0.800 V。因此,可以预期,核壳Au-Pd / C催化剂直接电氧化催化活性和较高输出功率比非盟C / C和Pd在相同的实验条件下,也建议的可能性,可能获得较高的输出功率。

在计时电流法实验(图7(一)),可能是走从−1.2−0.2 V和Ag / AgCl 0.1 NaBH₄+ 3 M氢氧化钠溶液。在实验的开始,最初的电流密度三个carbon-supported催化剂主要对应双层充电。核壳Au-Pd / C和Pd / C显示逐步增加电流密度衰减的时间稳定的电流密度。然而,Au / C电流密度慢慢腐烂,将相关的形成硼氢化氧化产品(10]。当前在稳态区域代表当前的电化学反应,这可能反映了部分electrocatalytic活动电极。是显示在图7(一),核壳Au-Pd / C催化剂保持较高的硼氢化氧化电流密度比其他两个催化剂。为了分析的electrocatalytic活动在不同的催化剂,计时电流法结果概括为科特雷尔阴谋图7 (b)。近似的恒常性与在非盟/ C稳定过程可以归因于电极失活。另一方面,增加了价值随着时间的增加核壳Au-Pd C / C和Pd表明intra-catalyst层扩散和外部质量传递的成为率限制在使用条件下(24]。和核壳Au-Pd / C都大比Pd / C值,这表明氧化的活性就越高。此外,建议增加价值的表面Au-Pd C / C和Pd /实验过程中没有毒。

3.3。燃料电池性能

细胞极化和功率密度曲线NaBH DBHFC使用1米₄+ 3 M氢氧化钠溶液作为燃料和2 M H₂O₂+ 0.5 M H₂所以₄解决方案提出了氧化剂,如图8。在细胞实验,非盟/ C作为阴极催化剂和非盟/ C,核壳Au-Pd / C和Pd / C作为阳极催化剂,分别。电池电压有一个最初突然减少马清廉厘米的范围⁻²电流密度在非盟/ C显示,电化学极化的动力学过程。Pd / C和核壳Au-Pd / C电极,电池电压曲线线性下降随着电流密度的增加,表明强烈依赖细胞欧姆电阻的性能(主要是欧姆极化)。此外,核壳上的极化曲线的斜率Au-Pd / C催化剂电极低于Pd / C。这一现象表明,核壳Au-Pd / C催化剂可以减少氧化的过电压和提高DBHFC的性能。此外,核壳Au-Pd / C表现出最高功率密度68.215 mW厘米⁻²马在电流密度为90.1厘米⁻²和一个电池电压0.757 V 25°C。

4所示。结论

的carbon-supported与核壳结构双金属催化剂Au-Pd被连续还原法成功地准备。球状Au-Pd纳米粒子均匀分散在碳表面的支持者。而carbon-supported单本位制的非盟和Pd催化剂,核壳Au-Pd催化剂增强electrocatalytic活动电氧化。使用核壳Au-Pd燃料电池阳极催化剂提出了一种最大功率密度68.215 mW厘米⁻²和0.757 V的电池电压1 M NaBH₄+ 3 M氢氧化钠溶液25°C。因此,carbon-supported与核壳结构双金属Au-Pd催化剂将是一个有前途的阳极electrocatalyst DBHFC的应用。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(基金号20871101和20871101),中国教育部博士基金(批准号20094301110005),该项目由湖南省科学技术厅(批准号2010 gk3181)。

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