文摘
——2/ Pt催化剂合成了(在不同浓度)初始湿度技术和XRD、光谱仪和扫描电镜。电解水/燃料电池性能进行评估5厘米2组合下单细胞再生燃料电池(URFC)配置。——的2/ Pt组成14/86显示电解水的最高性能和最低的一个燃料电池。为燃料电池操作派生,过多的Pt有利于氧还原过程而——2促进氧进化。从目前的结果,似乎扩散特征和燃料电池模式下的反应速率明显低于在电解槽模式。这需要提高气体扩散电极的性质和催化性能在燃料电池阴极操作。
1。介绍
组合再生燃料电池(URFC)是一种能量存储系统有用的连接到可再生能源如太阳能或风能(1]。这样一个系统由一个水电解槽和燃料电池结合在一个堆栈,允许显著减少成本和体积比两个设备分离。在电解模式,水是氢和氧用于电解铝生产电能在随后的燃料电池模式。与传统的二次电池相比,URFC长期能源存储的优势,无自放电,更高的能量密度(2,3]。相反,相比之下,传统的再生燃料电池(RFC),通常由独立的燃料电池和电解槽、URFC是一种更简单和更紧凑的系统,因为它只使用一个电化电池(4,5]。然而,一个电极的设计中使用一个电解槽在本质上是不同的比燃料电池电极(6]。例如,氧电极的聚合物电解质燃料电池气体扩散层(GDL)通常是一个高度hydrophobized碳纸或碳布。然而,他们不能使用的GDL URFC下列两个原因:(i)的碳物质会腐蚀高潜力氧电极一侧水电解操作期间,(2)GDL必须达到一个适当的平衡之间的疏水性和亲水性属性为燃料电池和电解水操作(7]。而水电解槽的电极通常是用来被淹没或部分淹没,燃料电池必须击退水。从这些考虑它出现明显URFC不是简单的线性组合电极用于燃料电池与电解电池使用。例如,氢电极必须不仅导致氢进化的反应,也必须做它在相反的方向。不过,最关键的一点是氧电极,它显示了其设计的更大的困难(8]。到目前为止,氧气氧化还原反应的双官能electrocatalysts URFCs包括Pt-Ir [9],Pt-Ru-Ir [10),Pt-IrO2(11- - - - - -15],Pt-IrO2ruo2(16,17),其中——2和RuO2主要是由使用亚当斯融合方法(18]。最上面的描述双功能氧电极催化剂是通过混合高效electrocatalyst减少氧气(Pt黑色)和一个高效electrocatalyst氧气(红外或——进化2或者——2ruo2),这可能导致贫困Pt黑色和红外或——之间的组合2或者——2ruo2,从而降低双功能氧电极electrocatalysts的性能。在这个工作中,我们的方法是使用一个浸渍方法——的支持2Pt表面上为了减少金属氧化物在电解模式下保持良好的性能。此外,hydrophobized Ti网格使用(19,20.扩散层),而不是碳基GDL常用于燃料电池,在氧电极室为了有一个稳定的支持21,22移除]和合适的反应物分布/产品。
2。实验
2.1。——的准备2/ Pt Electrocatalysts
——的准备2/ Pt是由初始湿度技术,由商业——的浸渍2(频谱)到一个商业Pt黑色(约翰逊)。electrocatalysts准备在三个不同浓度(重量比例7/93,11/89,14/86)。这样的作品正是由x射线荧光光谱仪分析。
2.2。物理化学特性
粉末是x射线衍射(XRD)、x射线荧光光谱仪,和扫描电子显微镜(SEM)。粉末X射线衍射(XRD)模式对这些催化剂在飞利浦得到X 'Pert X射线衍射仪使用铜Kα源操作40 kV和30 mA。峰值概要文件(2 2 0)反射的面心立方(fcc)结构被使用马夸特算法获得,这是用来计算的微晶尺寸粉末卷积方程由于没有其他的山峰,因为它可能发生(1 1 1),(2 0 0)和(3 1 1)反射。工具扩大是由使用标准铂样本。催化剂被放置在硅衬底进行XRD分析。衍射模式应用于JCPDS(粉末衍射标准联合委员会)和晶体大小分布计算LBA(谱线增宽分析)。光谱仪的分析催化剂是由一个力量中心——AXS S4 Explorer光谱仪操作1千瓦的电力和配备了Rh x射线源,人生如果晶体分析仪和0.12°散度准直器。SEM分析催化剂是由一个范XL-30场发射电子枪的乐器。SEM照片显示二级和反向散射电子。
2.3。电极和MEA准备
商业30% Pt /火神xc - 72(美国波士顿E-TEK-PEMEAS)作为H的催化剂2进化反应(电解槽)和H2还原过程(燃料电池)。电极是由直接混合在一个超声波浴暂停全氟磺酸离子交联聚合物在水中与Pt / C催化剂粉末(催化剂/干离聚物= 2/1 wt。);获得的碳布粘贴到背衬(GDL埃拉特E-TEK)。
组装膜电极(MEA)制造,氧电极是由热喷技术——沉淀2/ Pt催化剂直接到117年全氟磺酸膜(离子)。67 wt泥浆组成的。33 wt %催化剂。wt %电解质溶液(5。%离子)在去离子水和无水酒精(Carlo Erba)乙基属的被混合在超声波下准备。这个泥浆沉积在膜的一面用喷雾技术。催化剂装载6 mg·cm−2对——2/ Pt和1毫克·厘米−2Pt /火神xc - 72 30% (E-TEK)。117年全氟磺酸作为固体聚合物电解质。完成量被收紧在细胞中直接形成住房使用测力的扳手在9 N·m。hydrophobised Ti网格(佛朗哥使得科拉迪,意大利)支持层是用于氧舱(23,24]。
2.4。电化学表征
我们评估使用单细胞电解水/燃料电池性能测试夹具几何面积5厘米2。在燃料电池操作,电池温度控制在80°C和2 atm的背压,对H2和O2反应物气体,应用。气体都充分湿润。水电解操作期间,细胞被控制在80°C下大气压力和水箱温度为85°C。极化曲线记录使用Autolab PGSTAT 302稳压器/恒流器(瑞士万通)。
3所示。结果与讨论
XRD分析是进行准备的催化剂(图1)和商业——相比2(图1插图)。——的x射线衍射模式2显示了一个流行的非晶态结构和一些相关的结晶峰金属Ir(图1插图),而双功能催化剂显示了面心立方(fcc)结构的典型Pt由于大量的这种金属——相比2(这是,在任何情况下,在一个非晶阶段)。三种不同的成分被光谱仪分析(表准备和确认1)。
Pt的微晶尺寸的双功能催化剂估计扩大雪莱(220)反射的方程。值是所有样品(表6.5±0.2海里1)。
图2显示了——的扫描电子显微图2/ Pt在不同成分(7/93,11/89,14/86)和裸露的——2。非晶态——2(图2(一个))表现出约50 - 100纳米的团聚体。这个赌注——表面积2催化剂是很低,约23米2g−1发生的微孔隙度测量报告确认的(25)观察了——而一个适当的多孔结构2/ Pt双金属催化剂。双金属催化剂显示类似的结构由于他们是由相同的材料更大的Pt (26]。
(一)
(b)
(c)
(d)
细胞可能与电流密度(用5厘米的几何面积计算2)曲线——基于这三个成分的量2/ Pt (7/93, 11/89, 14/86) URFC条件下如图所示3。——的2/ Pt组成14/86水电解的性能最高和最低的燃料电池性能。为燃料电池操作派生,过多的Pt有利于氧还原过程而——2促进氧进化。事实上,这项工作的成果在电解模式类似于那些获得纯——通过使用2在PEM电解槽(22,23]。这可能是由于很好的分散金属氧化物在工党的支持。因此,——的利用率2是最大化。然而,更大数量的——的存在2在电解过程中产生更好的结果。因此,似乎有必要优化两种材料的相关内容,以合适的表现在这两个过程。
相反,在燃料电池模式下,记录的性能低于传统PEM燃料电池配备Pt催化剂特别是电阻和扩散区域(27- - - - - -29日]。这可能是由于存在hydrophobized Ti-grid气体扩散层/电流收集器。事实上,在电解过程中,燃料电池的测试被执行,燃料电池阴极电解槽操作后可以完全淹没,尽管hydrophobized Ti-grid使用。因此,氧气是由水的存在阻碍了在阴极室,这扩散的缺点决定了潜在的损失观察图3。关心Pt的数量的双金属催化剂,它是观察到一个更高的金额产生较低的潜在损失中观察到的激活区域(低电流密度)极化曲线。因此,在0.65 - -0.7 V(地区感兴趣的从效率的角度29日)——更高2与越来越多的Pt / Pt催化剂(7/93 > > 11/89 14/86)。通过使用——2/ Pt(14/86)催化剂的性能下降也表明——激活地区2覆盖Pt网站减少这样的双金属催化剂的催化活性氧气还原反应。因为这个配方电解过程显示一个更好的行为,似乎有必要进一步增加这个示例的催化性质作为双功能催化剂。
4所示。结论
——2/ Pt催化剂合成了(在不同浓度),表现为组合再生燃料电池(URFC)配置。这些oxide-metal混合物是由初始湿度技术和XRD、光谱仪、扫描电镜、电化学测量电解水/燃料电池条件下。为燃料电池操作过多的Pt有利于氧还原过程而——2促进氧进化。从目前的结果,似乎扩散特征和燃料电池模式下的反应速率明显低于在电解槽模式。这需要提高气体扩散电极的性质和催化性能在燃料电池阴极操作。