專利名稱：不飽和有機(jī)酸和醇電化學(xué)加氫與電能共生特性測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不飽和有機(jī)酸和醇電化學(xué)加氫與電能共生特性測(cè)試方法，以電化學(xué)循環(huán)伏安法，測(cè)試在質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)器中水溶性不飽和有機(jī)酸和醇進(jìn)行電化學(xué)加氫與電能共生的電化學(xué)還原特性。屬于電化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種通過(guò)電極催化反應(yīng)過(guò)程將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置，其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在電動(dòng)汽車、小型移動(dòng)電源上已展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。目前，人們?cè)诖龠M(jìn)PEMFC商業(yè)化的同時(shí)，也在考慮PEMFC在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用，利用質(zhì)子交換膜燃料電池作為合成反應(yīng)器是其應(yīng)用方向之一。利用燃料電池反應(yīng)器不僅能夠生成化學(xué)品，同時(shí)產(chǎn)生電能，還可以通過(guò)控制外電路負(fù)載方便地控制反應(yīng)進(jìn)程，污染小，符合環(huán)境友好化學(xué)工藝研究的方向，更重要的是，它能夠發(fā)電，資源利用率高。
利用質(zhì)子交換膜燃料電池，Kiyoshi Otsuka等研究了過(guò)氧化氫的一步合成(Kiyoshi Otsuka，Ichiro Yamanaka.One step synthesis of hydrogen peroxidethrough fuel cell reaction，Electrochimica Acta，1990，35(2)319-322)，在合成過(guò)氧化氫的過(guò)程中得到了4-12mA/cm2的電流密度。在同樣的裝置中，Kiyoshi Otsuka等人還研究了苯的一步氧化。袁曉姿等人也利用質(zhì)子交換膜燃料電池研究了硝基苯(Yuan Xiao-Zi，Ma Zi-Feng，Jiang Qi-Zhong et al，Cogeneration ofcyclohexylamine and electrical power using PEM fuel cell reactor，ElectrochemistryCommunications，2001，3(11)599-602)和丙烯醇(Yuan Xiao-Zi，He Qing-Gang，Ma Zi-Feng et al，Electro-generative hydrogenation of allyl alcohol applying PEMfuel cell reactor，Electrochemistry Communications，2003，5(2)189-193)以及不飽和有機(jī)酸和醇的電化學(xué)加氫與電能共生反應(yīng)，在合成加氫產(chǎn)物的同時(shí)，得到了一定的的電流。
目前，評(píng)價(jià)質(zhì)子交換膜燃料電池中物質(zhì)的加氫反應(yīng)活性主要是通過(guò)電池反應(yīng)，測(cè)定物質(zhì)在燃料電池中反應(yīng)的開(kāi)路電壓和電池工作曲線，即電流密度-電壓曲線。測(cè)定的結(jié)果依賴于多種因素，如電極的涂刷、膜電極的壓合、燃料電池的組裝、電池的密封以及反應(yīng)條件的控制等。一方面，由于膜電極中的陰陽(yáng)極催化劑均采用貴金屬，通常為Pt/C催化劑，質(zhì)子交換膜采用Nafion全氟磺酸膜，通過(guò)燃料電池工作曲線來(lái)測(cè)定加氫活性的成本較高，而且電極制備過(guò)程較復(fù)雜。另一方面，由于測(cè)定結(jié)果受多種因素控制，電池工作曲線的重復(fù)性不好，使得結(jié)果的可靠性并不令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不飽和有機(jī)酸和醇電化學(xué)加氫與電能共生特性測(cè)試方法，解決現(xiàn)有測(cè)試方法成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠性的問(wèn)題，同時(shí)為質(zhì)子交換膜燃料電池在電化學(xué)加氫方面的更廣泛應(yīng)用提供有效的研究方法。
為達(dá)到這樣的目的，本發(fā)明利用典型的電化學(xué)三電極體系測(cè)定不同水溶性不飽和有機(jī)酸和醇在1mol/L硫酸中的電化學(xué)循環(huán)伏安曲線。在循環(huán)伏安測(cè)定中，以光滑鉑電極為研究電極，鉑絲為對(duì)電極，可逆氫電極為參比電極，以0.01mol/L的有機(jī)酸和醇的硫酸溶液為電解液，通過(guò)恒電位儀設(shè)定給定電壓，在0V～1.5V掃描電位范圍內(nèi)，測(cè)定0.01mol/L的有機(jī)酸和醇的硫酸溶液的循環(huán)伏安曲線，根據(jù)出現(xiàn)還原電流的電位值來(lái)考察不同水溶性有機(jī)酸和醇的電化學(xué)還原特性。
本發(fā)明的具體步驟如下(1)將電解池仔細(xì)洗凈后在沸水中(超純蒸餾水)煮至少1小時(shí)。
(2)以1mol/L H2SO4溶液為電解質(zhì)，配置0.01mol/L的水溶性有機(jī)酸和醇溶液，溶液均用超純蒸餾水配置(＞17MΩ)。
(3)以光滑鉑電極為研究電極，鉑絲為對(duì)電極，可逆氫電極為參比電極，將研究電極、對(duì)電極和參比電極用體積比為1∶1的過(guò)氧化氫和濃硫酸的混合溶液進(jìn)行處理，以除去表面雜質(zhì)，并將可逆氫電極活化。
(4)將溶液及電極放入電解池，并將電極與恒電位儀接好。
(5)為消除氧氣對(duì)反應(yīng)電流的影響，在測(cè)試之前用氮?dú)鈱?duì)電解池中的溶液進(jìn)行吹掃，時(shí)間約為半小時(shí)。
(6)測(cè)試在室溫以及氮?dú)夥障逻M(jìn)行。設(shè)定循環(huán)伏安掃描電壓范圍為0V～1.5V，掃描速度為50mV/s。測(cè)定循環(huán)伏安曲線，取第五循環(huán)結(jié)果。
本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，成本低，耗時(shí)短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性高。本發(fā)明的實(shí)施為在質(zhì)子交換膜燃料電池中的加氫與電能共生反應(yīng)特性評(píng)價(jià)提供了一個(gè)簡(jiǎn)便而有效的方法，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池在電化學(xué)加氫方面的更廣泛應(yīng)用有重要意義。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的0.01mol/L丙烯醇在Pt電極上1mol/L H2SO4中的循環(huán)伏安圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的0.01mol/L丙烯酸在Pt電極上1mol/L H2SO4中的循環(huán)伏安圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的0.01mol/L巴豆酸在Pt電極上1mol/L H2SO4中的循環(huán)伏安圖。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1配置1mol/L H2SO4溶液，并用1mol/L H2SO4配置0.01mol/L的丙烯醇溶液，溶液均用超純蒸餾水配置(＞17MΩ)。將研究電極(4mm，99.95％，EG&G)、對(duì)電極(99.95％)和參比電極(可逆氫電極RHE)用過(guò)氧化氫和濃硫酸的混合溶液(體積比1∶1)處理，以除去表面雜質(zhì)，并將可逆氫電極活化。將溶液及電極放入電解池，并將電極與恒電位儀(EG&G，Model 263 A)接好后通入氮?dú)狻ＴO(shè)置循環(huán)伏安掃描程序，設(shè)定給定電壓掃描范圍為0V～1.5V，掃描速度為50mV/s。測(cè)定循環(huán)伏安曲線，取第五循環(huán)結(jié)果，結(jié)果如圖1所示，在電位約100mV左右開(kāi)始出現(xiàn)的還原電流為丙烯醇的還原，此正電位即為燃料電池中加氫反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。
實(shí)施例2配置1mol/L H2SO4溶液，并用1mol/L H2SO4配置0.01mol/L的丙烯酸溶液，溶液均用超純蒸餾水配置(＞17MΩ)。將研究電極(4mm，99.95％，EG&G)、對(duì)電極(99.95％)和參比電極(可逆氫電極RHE)用過(guò)氧化氫和濃硫酸的混合溶液(體積比1∶1)處理，以除去表面雜質(zhì)，并將可逆氫電極活化。將溶液及電極放入電解池，并將電極與恒電位儀(EG&G，Model 263 A)接好后通入氮?dú)?。設(shè)置循環(huán)伏安掃描程序，設(shè)定給定電壓掃描范圍為0V～1.5V，掃描速度為50mV/s。測(cè)定循環(huán)伏安曲線，取第五循環(huán)結(jié)果，結(jié)果如圖2所示，在電位約80mV左右開(kāi)始出現(xiàn)的還原電流為丙烯酸的還原，此正電位即為燃料電池中加氫反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。
實(shí)施例3配置1mol/L H2SO4溶液，并用1mol/L H2SO4配置0.01mol/L的巴豆酸溶液，溶液均用超純蒸餾水配置(＞17MΩ)。將研究電極(4mm，99.95％，EG&G)、對(duì)電極(99.95％)和參比電極(可逆氫電極RHE)用過(guò)氧化氫和濃硫酸的混合溶液(體積比1∶1)處理，以除去表面雜質(zhì)，并將可逆氫電極活化。將溶液及電極放入電解池，并將電極與恒電位儀(EG&G，Model 263 A)接好后通入氮?dú)?。設(shè)置循環(huán)伏安掃描程序，設(shè)定給定電壓掃描范圍為0V～1.5V，掃描速度為50mV/s。測(cè)定循環(huán)伏安曲線，取第五循環(huán)結(jié)果，結(jié)果如圖3所示，在電位約50mV左右開(kāi)始出現(xiàn)的還原電流為巴豆酸的還原，此正電位即為燃料電池中加氫反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。
權(quán)利要求
1.一種不飽和有機(jī)酸和醇電化學(xué)加氫與電能共生特性測(cè)試方法，其特征在于包括如下具體步驟1)以1mol/L H2SO4溶液為電解質(zhì)，用超純蒸餾水配置濃度為0.01mol/L的水溶性有機(jī)酸和醇溶液；2)以光滑鉑電極為研究電極，鉑絲為對(duì)電極，可逆氫電極為參比電極，將三電極用體積比為1∶1的過(guò)氧化氫和濃硫酸的混合溶液進(jìn)行處理，除去表面雜質(zhì)并將可逆氫電極活化；3)將溶液及電極放入電解池，并將電極與恒電位儀接好；4)測(cè)試在室溫以及氮?dú)夥障逻M(jìn)行，設(shè)定循環(huán)伏安掃描電壓范圍為0V～1.5V，掃描速度為50mV/s，測(cè)定循環(huán)伏安曲線，取第五循環(huán)結(jié)果。
全文摘要
一種不飽和有機(jī)酸和醇電化學(xué)加氫與電能共生特性測(cè)試方法，利用典型三電極系統(tǒng)的電化學(xué)循環(huán)伏安法，測(cè)試在質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)器中水溶性不飽和有機(jī)酸和醇電化學(xué)加氫與電能共生的特性。以0.01mol/L的有機(jī)酸和醇的硫酸溶液為電解液，以光滑鉑電極為研究電極，鉑絲為對(duì)電極，可逆氫電極為參比電極，在0V～1.5V掃描電位范圍內(nèi)，測(cè)定0.01mol/L的有機(jī)酸和醇的硫酸溶液的循環(huán)伏安曲線，根據(jù)出現(xiàn)還原電流的電位值來(lái)考察不同水溶性有機(jī)酸和醇的電化學(xué)還原特性。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，成本低，耗時(shí)短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性高，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池在電化學(xué)加氫方面的更廣泛應(yīng)用有重要意義。
文檔編號(hào)G01N27/403GK1544930SQ20031010889
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者袁曉姿, 馬紫峰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)