CN102244276B - 一种提高直接硼氢燃料电池性能的Ni-Cu二元催化剂 - Google Patents
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Abstract
一种提高直接硼氢燃料电池性能的Ni-Cu二元催化剂，其特征是该催化剂由以下方法制备：（1）在常压下，温度在293.15～313.15K的范围内，在酸性条件配置0.25mol/L的CuSO4溶液；（2）装置三电极体系：将2cm2的Ni片作工作电极置于上述溶液中，以Cu棒为对电极，银/氯化银电极为参比电极；（3）在电化学工作站上，采用恒电位法，在-0.1V电沉积5s，制得Ni-Cu二元催化剂。该催化剂增强了BH4 -的直接氧化性能，减弱了电解液对Ni阳极的腐蚀，减小了电荷传递阻力，提高了放电效率。
Description
技术领域
本发明属于电化学应用领域，具体涉及一种提高直接硼氢燃料电池性能的Ni-Cu二元催化剂。
背景技术
目前为了提高直接硼氢燃料电池性能，通常采用Ni、Pt、Pd、Au等金属催化剂。由于Au、Pt、Pd等贵金属阳极催化剂价格昂贵，因此努力研发非贵金属Ni阳极催化剂成为研究重点。但是，现有技术中用Ni作阳极催化剂时，BH4 -的直接氧化性能不高，Ni电极易腐蚀，电荷传递阻力大，且燃料利用率低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种提高直接硼氢燃料电池性能的二元催化剂，提高BH4 -的直接氧化性能，增强Ni电极的耐蚀性，减小电荷传递阻力，提高燃料的利用率。
本发明所涉及的一种提高直接硼氢燃料电池性能的Ni-Cu二元催化剂，其特征是该催化剂由以下方法制备：（1）在常压下，温度在293.15～313.15K的范围内，在酸性条件配置0.25mol/L的CuSO4溶液；（2）装置三电极体系：将2cm2的Ni片作工作电极置于上述溶液中，以Cu棒为对电极，银/氯化银电极为参比电极；（3）在电化学工作站上，采用恒电位法，在-0.1V电沉积5s，制得Ni-Cu二元催化剂。
本发明的一种提高直接硼氢燃料电池性能的Ni-Cu二元催化剂，由于在阳极Ni上电沉积Cu，增强了BH4 -的直接氧化性能，减弱了电解液对Ni阳极的腐蚀，减小了电荷传递阻力，提高了放电效率。
附图说明
图1 NaBH4在Ni电极和Ni-Cu电极上的循环伏安曲线
图2 NaBH4在Ni电极上的多次循环伏安曲线（三圈）
其中：1为第一圈；2为第二圈；3为第三圈
图3 NaBH4在Ni-Cu电极上的多次循环伏安曲线（三圈）
其中：1为第一圈；2为第二圈；3为第三圈
图4 NaBH4在Ni-Cu电极和Ni电极上的交流阻抗谱
图5 NaBH4在Ni-Cu电极和Ni电极上的放电曲线
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的方法进一步说明如下：
实施例1：
在常压下，温度在293.15～313.15K的范围内，在酸性条件配置0.25mol/L的CuSO4溶液。将2cm2的Ni片作工作电极置于上述溶液中，以Cu棒为对电极，银/氯化银电极为参比电极，在电化学工作站上，采用恒电位法，在-0.1V电沉积5s，制得Ni-Cu二元催化剂。称取硼氢化钠，并将其溶解于2mol/L的氢氧化钠溶液中，制成0.27mol/L的硼氢化钠溶液，混合均匀后作为直接硼氢燃料电池的电解液。分别以2cm2的Ni片和Ni-Cu为工作电极，汞/氧化汞电极为参比电极，石墨棒为辅助电极，采用循环伏安法进行性能测试。
图1给出了NaBH4在Ni电极和Ni-Cu电极上的阳极氧化伏安曲线。通过与空白实验对比，可以看出Ni电极和Ni-Cu电极对NaBH4的氧化均有一定的催化作用。Ni电极上的氧化峰电位在-0.75V左右，Ni-Cu电极上在-0.7V左右也出现一明显的氧化峰，尽管峰电位有所正移，但峰电流明显增大。文献报道，NaBH4在Cu电极上的氧化峰出现在-0.4V左右。在Ni-Cu电极上，NaBH4既保持了较负的氧化电位，同时氧化峰电流明显增大。说明Ni-Cu二元催化剂增强了BH4 -的直接氧化性能。
图2为NaBH4在Ni电极上的多次循环伏安曲线。从图上可以看出，对Ni电极进行第2圈扫描时，NaBH4的氧化峰已经很小，第3圈时氧化峰基本消失，说明Ni电极已经被腐蚀。相同条件下，对Ni-Cu电极进行了的多次循环扫描，如图3所示。可以看出，与单金属Ni电极相比，对Ni-Cu电极进行第2圈扫描时，NaBH4氧化峰的衰减明显减慢，第3圈仍有一很小的氧化峰。说明在碱性硼氢化钠溶液中，Ni-Cu电极比单金属Ni电极的耐蚀性强。
实施例2
在常压下，温度在293.15～313.15K的范围内，在酸性条件配置0.25mol/L的CuSO4溶液。将2cm2的Ni片作工作电极置于上述溶液中，以Cu棒为对电极，银/氯化银电极为参比电极，在电化学工作站上，采用恒电位法，在-0.1V电沉积5s，制得Ni-Cu二元催化剂。称取硼氢化钠，并将其溶解于2mol/L的氢氧化钠溶液中，制成0.27mol/L的硼氢化钠溶液，混合均匀后作为直接硼氢燃料电池的电解液。分别以2cm2的Ni片和Ni-Cu为工作电极，汞/氧化汞电极为参比电极，石墨棒为辅助电极，进行交流阻抗谱性能测试。
在交流阻抗谱图中，沉积Cu前后，硼氢化钠在Ni电极上电化学阻抗谱存在明显差异，根据图4比较高频区的电化学阻抗的直径大小为：Ni-Cu<Ni。其半圆弧的直径为电化学反应阻抗，沉积Cu之后的圆弧直径最小，说明此时NaBH4在Ni-Cu电极上进行氧化反应较容易，电化学反应需克服的能垒较小，增强了电极的导电性，改善了电极的反应性能，电荷传递电阻减少，BH4 -的氧化性能增强。
实施例3
在常压下，温度在293.15～313.15K的范围内，在酸性条件配置0.25mol/L的CuSO4溶液。将2cm2的Ni片作工作电极置于上述溶液中，以Cu棒为对电极，银/氯化银电极为参比电极，在电化学工作站上，采用恒电位法，在-0.1V电沉积5s，制得Ni-Cu二元催化剂。称取硼氢化钠，并将其溶解于2mol/L的氢氧化钠溶液中，制成0.27mol/L的硼氢化钠溶液，混合均匀后作为直接硼氢燃料电池的电解液。分别以2cm2的Ni片和Ni-Cu为工作电极，汞/氧化汞电极为参比电极，石墨棒为辅助电极，进行恒电流放电性能测试。
图5是在电流密度为50mA/cm2下，以硼氢化钠溶液为电解质溶液，Ni片和Ni-Cu电极分别为电池负极时的恒电流放电曲线。图谱说明：第一，Ni-Cu电极的放电电位更负，这对于负极来说是有利的。第二，Ni-Cu电极的放电时间长。根据公式和，计算各电池的放电效率：
Ni： η 1 = (13180/62522)×100% =21%
Ni-Cu： η 2 = (21600/62522)×100% =34.5﹪
Claims (1)
1.一种提高直接硼氢燃料电池性能的Ni-Cu二元催化剂，其特征是该催化剂由以下方法制备：（1）在常压下，温度在293.15～313.15K的范围内，在酸性条件配置0.25mol/L的CuSO4溶液；（2）装置三电极体系：将2cm2的Ni片作工作电极置于上述溶液中，以Cu棒为对电极，银/氯化银电极为参比电极；（3）在电化学工作站上，采用恒电位法，在-0.1V电沉积5s，制得Ni-Cu二元催化剂。
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