氧化镧作为直接硼氢化物燃料电池阴极催化剂的研究_倪学敏

第28卷 第4期Vol 128 No 14中 国 稀 土 学 报J OURNAL OF THE CH I NESE RARE EART H SOCIETY2010年8月Aug 12010收稿日期:2010-05-10;修订日期:2010-06-01基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金,国家自然科学基金(20803057)资助 作者简介:倪学敏(1985-),男,硕士研究生,研究方向:硼氢化物燃料电池*通讯联系人(E -m ai:l yw ang @w hut )氧化镧作为直接硼氢化物燃料电池阴极催化剂的研究倪学敏,刘 阳,王雅东*,潘 牧(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉4300070)摘要:通过采用线性电势扫描(LSV)和恒电流计时电势扫描方法对氧化镧作为直接硼氢化物燃料电池阴极催化剂的电化学性能进行了研究。

实验结果表明:在单室燃料电池体系中,氧化镧对氧还原具有良好的活性,同时在强碱溶液中对硼氢根离子具有很强的稳定性且对硼氢根的水解没有任何促进作用。

以镍基储氢合金作为电池的阳极催化剂组装成简单的单室燃料电池,电池的开路电压达到 1.052V ,在常温下(21e ),电池于0.491V 获得最高功率密度65.25mW #c m -2,电池运行稳定。

关键词:直接硼氢化物燃料电池;氧电催化还原;氧化镧电极;稀土中图分类号:O 646 文献标识码:A 文章编号:1000-4343(2010)04-0501-04直接硼氢化物燃料电池与传统的氢氧质子交换膜燃料电池相比,具有高开路电压(1.64V )和高能量密度,可以使用非贵金属催化剂,并且忽略氢气储存和运输带来的成本增加和安全隐患等问题,因而日益受到人们的关注[1~7]。

直接硼氢化物燃料电池在实用过程中存在的问题之一是硼氢根离子的穿透[2,8],主要表现为在电池运行过程中,硼氢根离子从阳极穿透到阴极催化剂表面,在阴极催化剂作用下发生水解或者电催化。

硼氢根的穿透一方面影响电池的输出性能,另一方面降低了燃料的利用率[2]。

针对此问题,通常采用的解决方法是采用可以阻隔离子的穿透的电解质膜,但是这势必增加电池的成本,不利于硼氢化物燃料电池的商业化。

基于此,人们又提出了单室燃料电池的概念,寻找一种对氧还原具有较高的活性同时对硼氢根离子具有很强的稳定性即不与之发生作用的催化剂,彻底摒弃目前普遍使用的昂贵的电解质膜。

这方面的研究也越来越受到人们的关注[9~14]。

本文探索了氧化镧作为直接硼氢化物燃料电池的阴极催化剂的电化学性能。

在此基础上组装了以氧化镧作为阴极催化剂,镍基储氢合金作为阳极催化剂的简单的单室燃料电池,并测试了其输出性能。

1 实 验1.1 电极制备 氧化镧阴极由氧化镧催化层、内外两层空气扩散层(防水透气层)和泡沫镍集流体构成。

催化层的制备采用35%(质量分数)氧化镧,50%导电基体(石墨B 乙炔黑=1B 2),15%聚四氟乙烯乳液(PTFE )混合后辊压成0.15mm 厚的薄膜(氧化镧载量约7m g #c m-2)。

空气扩散层采用60%乙炔黑和40%PTFE 辊压成0.25mm 厚的薄膜。

将制备好的催化层和空气扩散层用丙酮抽提10h 以去除PTFE 乳液中携带的杂质。

将各层处理完的材料按顺序放置好后辊压成0.68mm 厚的电极。

压制好的电极在空气气氛下于250e 煅烧0.5h ,冷却后备用。

阳极催化剂的制备采用80%储氢合金,5%钴粉,5%XC -72活性碳粉和10%PFTE 乳液混合均匀后制成0.15mm 厚的薄膜(储氢合金载量约0108g #c m-2)。

制备好的阳极膜同样用丙酮抽提10h 以去除PTFE 乳液中杂质。

处理后的阳极膜在真空干燥箱中80e 烘干,之后裁剪成所需的面积热压到泡沫镍网上即制备成阳极。

1.2 电化学测试 电化学测试仪器采用C H I 660D 电化学工作站。

研究电极为氧化镧电极,参比电极为H g /H gO 标准电极,对电极为石墨电极,电解质溶液分别为6m ol #L-1KOH 和6m ol #L-1502 中 国 稀 土 学 报28卷KOH +1m o l #L -1KB H 4溶液。

简单单室电池使用镍基储氢合金电极为阳极,氧化镧电极为阴极,电解质溶液为6m ol #L -1KOH +1m o l #L -1KB H 4。

所有电化学测试均在室温(18~22e )下进行。

2 结果与讨论图1为氧化镧催化层(经过抽提处理)的扫描电镜照片,其中,白色颗粒为氧化镧,黑色层状物为石墨,黑色粉末状物为乙炔黑,白色纤维为PT -FE 。

从图中可以看出氧化镧催化剂的粒度大概在1L m 左右。

右上角的内嵌图表明催化剂的分散是比较均匀的。

图2为氧化镧电极在6mo l #L -1KO H 和6mol #L -1KOH +1m ol #L-1KB H 4溶液中的线性电势扫描(LSV )曲线对比。

从图中可以看出,电极的平衡电势接近0V,并且随着极化的增大具有高的响应电流,表明氧化镧催化剂对于氧还原具有良好的催化活性。

添加了硼氢根离子与单纯的氢氧化钾电解质溶液中的LSV 曲线几乎重合,表明氧化镧电极图1 氧化镧催化层扫描电镜照片F i g .1 SE M i m age o f L a 2O 3catalyst layer图2 氧化镧电极在不同电解质溶液中L S V 曲线F i g.2 LS V curves o f L a 2O 3e lectrode i n different e lectrolyte在强碱溶液中对硼氢根离子具有较高的电化学稳定性,硼氢根离子在氧化镧电极上不会引发生氧化反应而引起响应电流的降低。

在6m ol #L -1KO H +1mo l #L-1KB H 4溶液进行LSV 测试时,没有任何气泡从氧化镧电极表面溢出,说明氧化镧对硼氢根离子的水解没有明显的促进作用。

上述结果表明氧化镧对硼氢根具有高的化学和电化学稳定性。

为了进一步验证氧化镧电极在含有硼氢根离子溶液中的电化学长时间稳定性,我们对氧化镧电极在含有高硼氢化钾的电解质溶液进行了电流密度为50mA #c m -1长达48h 的计时电势扫描,结果如图3所示。

在48h 的测试过程中,氧化镧电极基本维持在-0.4V 左右,但是有一定的波动。

这些波动是由于在单室环境中对电极不断产生氧气气泡,气泡增大后不断破灭引起的。

扣除气泡的影响,计时电势曲线的稳定,充分说明氧化镧电极在含有硼氢根离子溶液中具有较强的电化学稳定性(电势在后期的轻微上升,主要是由于室内温度的改变引起的)。

图4为计时电势扫描实验后的氧化镧电极、经过6m o l #L-1KOH 中的LSV 测试后的氧化镧电极与初始的氧化镧电极的粉末X 射线衍射图片对比。

从图中可以看出3个电极的特征峰完全一致,进一步说明了氧化镧电极对硼氢根的稳定性。

以上的实验结果可以充分说明氧化镧电极在强碱溶液中能够满足单室燃料电池对阴极电极的要求,在不采用阻硼氢根电解质膜的情况下就可以实现燃料电池的高性能输出。

图5所示为以镍基图3 氧化镧电极在6m o l #L -1KOH +1m o l #L -1K B H 4溶液中的计时电势测试曲线F i g .3Chronopotenti o mentry curve of La 2O 3electrode i n 6mol #L -1KOH +1mo l #L -1K B H 4so luti on4期倪学敏等 氧化镧作为直接硼氢化物燃料电池阴极催化剂的研究503图4 氧化镧电极在不同电解质溶液中电化学测试后与初始表面催化层的XRD 分析图谱F ig .4 Co m parison o f XRD spectra for L a 2O 3electrodes afte rtest i n different e lectro l yte and o ri g ina l sa mple图5 简单单室无隔膜电池在6m o l #L -1KOH +1mo l #L -1KB H 4溶液中电流-电压测试曲线F ig .5 I-V curves o f si m p l e membrane l ess fuel cell usi ng 6m o l#L -1KOH +1m ol #L -1KB H 4as e l ec tro lyte储氢合金电极为阳极,氧化镧电极为阴极,6m ol #L-1KOH +1mo l #L -1KB H 4电解质溶液的(室内空气温度为21e )的硼氢化物燃料电池的I -V 曲线。

电池的开路电压达到1.052V,电池在0.491V 获得最高功率密度65.25mW #c m -2,电池运行稳定,直接表明了以氧化镧作为阴极可以实现硼氢化物燃料电池在无阻硼氢根电解质膜情况下的高效输出。

3 结 论氧化镧作为直接硼氢化燃料电池的阴极催化剂,对氧催化还原具有良好的活性,同时对硼氢根离子具有很强的电化学和化学稳定性。

在与储氢合金阳极组成无隔膜单室硼氢化物燃料电池后,开路电压可达到1.052V,电池在0.491V 获得峰值功率密度为65.25m W #c m -2,电池运行稳定,表明氧化镧在不使用昂贵的阻硼氢根电解质膜的条件下,即可以实现电池性能的高效输出,是未来发展高效低成本的直接硼氢化物燃料电池理想选择。

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