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时间: 2020年02月28日 00:40 | 来源: o︻$刀锋▆▇◤ | 编辑: 始斯年 | 阅读: 0021 次

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   【讯】 直接甲醇燃料电池(DMFC)是将甲醇氧化反响的化学能直接转化为电能的一种发电设备,其作业原理十分简略,首要由阴极、阳极、质子交流膜及双极板等构成。作业时,甲醇在阳极上被催化氧化为CO2和H2O,一起发生6个电子和6个质子,其间质子经质子交流膜由阳极抵达阴极,在催化剂效果下使阴极室的氧复原,生成H2O。电子经外电路由阳极抵达阴极,并通过外电路做功并构成电回路。DMFC构造简略、便利灵敏,作业时间只取决于燃料带着量而不受限于电池的额外容量,这些年倍受产业界喜爱。DMFC在发电进程中,无需通过卡诺循环,具有能量转化功率高、低排放和无噪音等长处,别的还具有常温运用、燃料带着补给便利、体积和分量比能量密度高级优势,格外适合于作为小型可移动及便携式电源,在国防、动力和通讯等范畴有着潜在的宽广运用远景。

   现在制约DMFC商业化的一个首要妨碍是“甲醇浸透疑问”。这是因为,DMFC遍及运用的Nafion系列全氟磺酸型质子交流膜具有较高的甲醇透过率,甲醇可以从阳极穿过质子交流膜进入到阴极,而因为阴极通常运用Pt作催化剂,氧复原和甲醇氧化会一起发生,因而发生“混合电位”,严峻降低燃料的功率和电池的输出功率。并且甲醇在阴极的氧化也使其运用率降低。此外,分散过来的甲醇及其氧化的中心产品还会使阴极Pt催化剂中毒,影响Pt对氧复原的催化活性。因为甲醇浸透的存在,DMFC通常都使燃料甲醇浓度保持在4 M以下。但要和现在市场上占干流的锂离子电池竞赛,DMFC运用的甲醇浓度需提高到9 M以上以有用提高电池的能量密度。传统的战胜DMFC中甲醇浸透的战略包含改进燃料进料体系、提高质子膜功能、润饰电池电极构造和添加水办理体系等,这些战略必定程度上的确改进了电池的操作功能,但无疑使电池的规划趋于杂乱并添加了电池制作的本钱。

  中国科学院进程工程研讨所多相杂乱体系国家重点实验室研讨员杨军课题组的研讨者们变换研讨思路,从制备选择性催化剂的视点思考战胜DMFC中的甲醇浸透疑问,以期降低或脱节对质子膜的依靠。选择性催化剂意味着在DMFC的阴极或阳极运用的催化资料只对阴极或阳极的反响有催化效果,对另一侧的反响无活性或活性极低。他们在深刻理解DMFC中甲醇催化氧化和氧气催化复原机理的基础上,规划贵金属基异质构造纳米资料,充分运用异质资猜中的晶格应变效应和电子耦合效应调控资料的催化功能,不只使资料具有优秀的催化活性,并且使资料对DMFC中的甲醇氧化或氧气复原具有极好的选择性。详细的,他们运用具有核-壳-壳构造的三元纳米复合资料Au@Ag2S@Pt和具有核壳构造的Au@Pd纳米资料别离作为DMFC的阳极和阴极电催化剂。关于前者,三元资猜中的电子耦合效应使Pt原子的电子云密度添加,可以按捺一氧化碳(CO)和氧气(O2)分子在Pt原子上的吸附,使其具有优秀甲醇氧化活性的一起具有较弱的氧化复原活性;而关于后者,因为晶格参数和电负性的区别,Au内核施加在超薄Pd壳层上的晶格拉伸效应和电子耦合效应极好地提高了Pd催化氧气复原的活性,而又因为Pd在酸性介质中对甲醇氧化没有活性,使这种核壳构造资料变成DMFC阴极选择性催化剂适宜的候选。研讨者们研讨了催化剂的制备、放大和表征,在运用无质子膜DMFC模型证明了催化剂选择性的基础上,成功组装了DMFC单电池(如图)。测验标明,在甲醇浓度为10 M时,电池输出的功率密度为89.7 mW/cm2,远高于这些年报导的运用其它战略完成高浓度甲醇下操作的DMFC的输出功率密度。在甲醇浓度提高至15 M时,电池输出功率稍微降低,仍能保持82.7 mW/cm2的功率密度输出。

  上述有关研讨得到了国家自然科学基金(No.21376247, 21506225, 21573240)和中科院进程工程所介标准研讨中心(COM2015A001)的赞助。该研讨结果发表于美国科学促进会(AAAS)出书的世界期刊《科学发展》(ScienceAdvances, 2017, 3: e1700580)。


(始斯年编辑《o︻$刀锋▆▇◤》2020年02月28日 00:40 )

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