一種提高直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學應用領域，具體涉及一種提高直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑。
【背景技術】
[0002]目前為了提高直接硼氫燃料電池性能，通常采用Pt、Ag、Pd和Au等貴金屬催化劑。由于這些金屬催化劑價格昂貴，因此價格便宜的Ni等金屬也被用作硼氫燃料電池的陽極催化劑。然而，現有技術中用Ni作陽極催化劑時，因為Ni在堿性環(huán)境中極易腐蝕，導致電極反應的電荷傳遞阻力大，BH4的直接氧化性能不高，燃料放電效率低。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術的不足，提供一種提高直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑，期望能提高BH4的直接氧化性能，增強Ni催化劑的耐蝕性，減小電極反應的電荷傳遞阻力，提高燃料的放電效率。
[0004]本發(fā)明所涉及的一種改善直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑，其特征是該催化劑由以下簡單方法制備:(I)在常壓下，溫度在293.15?313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的硫酸鎳(NiSO4)溶液；(2)裝配三電極體系:將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極；(3)采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。
[0005]本發(fā)明的一種改善直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑，由于沉積Ni改變了催化劑的表面形態(tài)，使比表面積顯著增加，催化活性位點大大增多，從而增強了 BH4的直接氧化性能；同時，沉積Ni還減小了電極反應的電荷傳遞阻力，顯著提高了燃料的放電效率。
【附圖說明】
[0006]圖1 Ni催化劑的SEM圖；
[0007]圖2沉積Ni催化劑的SEM圖；
[0008]圖3不同催化劑作用下BH4直接氧化的循環(huán)伏安曲線；
[0009]圖4不同沉積時間制備的沉積Ni催化劑作用下BH4直接氧化的伏安曲線；
[0010]圖5不同沉積時間制備的沉積Ni催化劑的催化能力比較圖；
[0011]圖6Ni催化劑作用下BH4直接氧化的多次循環(huán)伏安曲線；
[0012]I為第一周期；2為第二周期；3為第三周期
[0013]圖7沉積Ni催化劑作用下BH4直接氧化的多次循環(huán)伏安曲線；
[0014]I為第一周期；2為第二周期；3為第三周期
[0015]圖8不同催化劑作用下BH4直接氧化的交流阻抗譜；
[0016]圖9不同催化劑作用下BH4的放電曲線(放電時間為1000s)；
[0017]圖10不同催化劑作用下BH4的放電曲線.
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的方法進一步說明如下:
[0019]實施例1:
[0020]在常壓下，溫度在293.15?313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的NiSO4溶液。將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極，采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。稱取適量的硼氫化鈉(NaBH4)，并將其溶解于2mol/dm3的氫氧化鈉(NaOH)溶液中，制成0.27mol/dm3NaBH4S液，混合均勻后作為直接NaBH4燃料電池的電解液。分別以2cm2的Ni催化劑和沉積Ni催化劑為工作電極，汞/氧化汞電極為參比電極，石墨棒為輔助電極，采用線性電位掃描(LSV)進行性能測試。
[0021]本實施例所制備的Ni催化劑和沉積Ni催化劑的電子掃描圖(SEM)如圖1、圖2所示。從圖1中可以看出，Ni催化劑的表面是光滑的平面；圖2中沉積Ni催化劑是由小塊狀的Ni不均勻地分散在平滑的Ni片表面構成。這樣的結構改變了催化劑的表面形態(tài)，使比表面積顯著增加，催化活性位點大大增多，從而增強了 BH4的直接氧化性能。
[0022]圖3給出了不同催化劑作用下BH4直接氧化的循環(huán)伏安曲線。通過與空白實驗(無NaBH4)的對比，可以看出Ni催化劑和沉積Ni催化劑對BH4的直接氧化均有催化作用。在Ni催化劑作用下，BH4的直接氧化峰電流是11.5mA/cm2，而在沉積Ni催化劑作用下，BH4的直接氧化峰電流顯著增大，達到了 58mA/cm2。在沉積Ni催化劑作用下BH4的直接氧化峰電流是Ni催化劑作用下的5倍。說明沉積Ni催化劑顯著增強了 BH4的直接氧化性能。
[0023]圖4給出了不同沉積時間制備的沉積Ni催化劑作用下BH4直接氧化的伏安曲線。在LSV(圖4)中可以看出，隨著沉積時間的不斷增加，BH4的直接氧化峰電流呈現先增大后減小的趨勢，BH4的直接氧化峰電流出現最大值(116mA)，是Ni催化劑作用下BH 4的氧化峰電流值(23mA)的5倍。圖5比較了不同沉積時間制備的沉積Ni催化劑的催化能力。從圖5中可以看出，沉積時間為10s時，BH4的氧化峰電流值最大，催化劑的催化能力最強。
[0024]實施例2:
[0025]在常壓下，溫度在293.15?313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的NiSO4溶液。將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極，采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。稱取適量的NaBH4,并將其溶解于2mol/dm3的NaOH溶液中，制成0.27mol/dm 3NaBH4溶液，混合均勻后作為直接NaBH4燃料電池的電解液。分別以2cm 2的Ni催化劑和沉積Ni催化劑為工作電極，汞/氧化汞電極為參比電極，石墨棒為輔助電極，采用循環(huán)伏安法進行性能測試。
[0026]圖6是Ni催化劑作用下BH4直接氧化的多次循環(huán)伏安曲線?？梢钥闯?，在Ni催化劑作用下，BH4直接氧化的第二周期循環(huán)伏安掃描時，BH4的直接氧化峰已經很小，到第三周期時氧化峰基本消失。這是因為在堿性介質中，Ni表面形成了一層致密的Ni (OH)2覆蓋在Ni催化劑表面，使Ni催化劑被腐蝕，失去了催化活性。相同條件下，在沉積Ni催化劑作用下對BH4直接氧化進行了多次循環(huán)伏安掃描，如圖7所示?？梢钥闯?，與Ni催化劑相比，在沉積Ni催化劑作用下，BH4直接氧化的第一周期循環(huán)伏安掃描時，氧化峰電流顯著增高。在第二周期掃描中，氧化峰電流仍然很高，是Ni催化劑作用下的4倍。而且到第三周期時，氧化峰電流值還能達Ni催化劑作用下BH4在第一周期的峰電流值。說明在堿性NaBH4溶液中，沉積Ni催化劑的耐蝕性大大強于普通Ni催化劑。
[0027]實施例3:
[0028]在常壓下，溫度在293.15?313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的NiSO4溶液。將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極，采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。稱取適量的NaBH4,并將其溶解于2mol/dm3的NaOH溶液中，制成0.27mol/dm 3NaBH4溶液，混合均勻后作為直接NaBH4燃料電池的電解液。分別以2cm 2的Ni催化劑和沉積Ni催化劑為工作電極，汞/氧化汞電極為參比電極，石墨棒為輔助電極，進行交流阻抗譜性能測試。
[0029]圖8是不同催化劑作用下BH4直接氧化的交流阻抗譜。從圖中可以看出，BH4的直接氧化在Ni催化劑和沉積Ni催化劑作用下的電化學阻抗譜存在顯著差異。比較圖8發(fā)現高頻區(qū)的電化學阻抗的直徑大小為:沉積Ni催化劑< Ni催化劑。半圓弧的直徑代表電極反應的電化學阻抗大小。沉積Ni催化劑的圓弧直徑較小，僅為Ni催化劑的一半，說明在沉積Ni催化劑作用下BH4的直接氧化反應更加容易，電化學反應需克服的能皇小，從而增強了電極反應的電荷傳遞，顯著改善了 BH4的氧化性能。
[0030]實施例4:
[0031]在常壓下，溫度在293.15?313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的NiSO4溶液。將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極，采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。稱取適量的NaBH4,并將其溶解于2mol/dm3的NaOH溶液中，制成0.27mol/dm 3NaBH4溶液，混合均勻后作為直接NaBH4燃料電池的電解液。分別以2cm 2的Ni催化劑和沉積Ni催化劑為工作電極，汞/氧化汞電極為參比電極，石墨棒為輔助電極，進行恒電流放電性能測試。
[0032]圖9是在電流密度為10mA/cm2下，以0.27mol/dm3NaBH4為電解質溶液，不同催化劑作用下BH4的放電曲線(放電時間為1000s)。從圖中可以看出，在Pt催化劑作用下，BH4直接氧化的初始放電電位E Pt= -0.54V ;在相同條件下，Ni催化劑作用下BH4直接氧化的初始放電電位為Eni= -0.80V，比Pt催化劑作用下降低了 0.26V ;相同條件下，沉積Ni催化劑作用下BH4直接氧化的初始放電電位E w,Nl = -0.88V，比Pt催化劑作用下降低了0.34V。根據公式:P = IE (P為功率，I為放電電流，E為電位)，因為放電電流I相同，所以PNl: Pp產EN1: Ept= 1.5 ;P沉積Nl: Pp產E沉積Nl: Ept= 1.6。由上可知，在沉積Ni催化劑作用下，BH4的初始放電電位最負，電池的工作電壓最高，功率最大。
[0033]圖10是在電流密度為10mA/cm2下，以0.27mol/dm3NaBH4為電解質溶液，不同催化劑作用下BH4的放電曲線。從圖中可以看出，在沉積Ni催化劑作用下BH 4的放電電位更負，電池電壓更高，功率也更大。在Ni催化劑作用下BH4的放電時間為1.4X10 3s，在沉積Ni催化劑作用下BH4的放電時間為7.2X10 4s。由公式Q = It = nZF和n = C /t，在Ni催化劑作用下BH4的放電效率為4%，在沉積Ni催化劑作用下BH4的放電效率為23%，放電效率提高接近6倍。
【主權項】
1.一種改善直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑，其特征是該催化劑由以下簡單方法制備:(1)在常壓下，溫度在293.15?313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的硫酸鎳(NiSO4)溶液； (2)裝配三電極體系:將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極； (3)采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。
【專利摘要】一種改善直接硼氫燃料電池性能的鎳基催化劑，其特征是該催化劑由以下簡單方法制備：(1)在常壓下，溫度在293.15～313.15K范圍，配置0.2mol/dm3的硫酸鎳(NiSO4)溶液；(2)裝配三電極體系：將2cm2的光滑Ni片(作工作電極)置于上述溶液中，以Ni片為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極；(3)采用恒電位(-0.8V)法將Ni沉積到金屬鎳片上制成一種鎳基催化劑。由于沉積Ni改變了催化劑的表面形態(tài)，使比表面積顯著增加，催化活性位點大大增多，從而增強了BH4-的直接氧化性能；同時，沉積Ni還減小了電極反應的電荷傳遞阻力，顯著提高了燃料的放電效率。
【IPC分類】H01M4/92, H01M4/88
【公開號】CN105070926
【申請?zhí)枴緾N201510413148
【發(fā)明人】余丹梅, 鄧維林, 陳昌國, 李黎, 程浩, 萬慧
【申請人】重慶大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月13日