甲醇的電化學(xué)催化氧化

1、應(yīng)用化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)（項(xiàng)目化）電化學(xué)能源實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 課程代碼：0703525008         開課學(xué)期：第6學(xué)期      開課專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 16學(xué)時(shí)                         

2、60;      總學(xué)分/實(shí)驗(yàn)學(xué)分： 0.5學(xué)分綜合實(shí)驗(yàn)室（實(shí)驗(yàn)中心）名稱：生化實(shí)驗(yàn)中心 二級(jí)實(shí)驗(yàn)室名稱：應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室一、課程簡介應(yīng)用化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)電化學(xué)能源實(shí)驗(yàn)是化學(xué)專業(yè)比較新的的一門重要專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課。本課程是根據(jù)甲醇燃料電池的相關(guān)理論與技術(shù)而展開的。學(xué)生需具有基本的有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、電化學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。通過本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，能夠是學(xué)生了解最基本的甲醇燃料電池的工作原理和核心技術(shù)；能夠使學(xué)生對(duì)能源及電化學(xué)能源具有初步的認(rèn)識(shí)；能夠?yàn)閷W(xué)生在將來從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。 二、實(shí)驗(yàn)的地位、作用和目的通過此課程的學(xué)習(xí)

3、，對(duì)電化學(xué)能源知識(shí)具有初步的了解，掌握基本的電化學(xué)技術(shù)。三、實(shí)驗(yàn)方式與基本要求實(shí)驗(yàn)方式以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主，從基礎(chǔ)理論、材料準(zhǔn)備、裝置、數(shù)據(jù)的采集與分析等方面進(jìn)行自主設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。、掌握甲醇燃料電池的工作原理。、掌握評(píng)價(jià)甲醇燃料電池性能好壞的方法。、能從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)更多的電化學(xué)能源相關(guān)的技術(shù)與理論。 四、報(bào)告與考核設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果討論等內(nèi)容?？己耍?、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和方法40%。2、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果30%。3、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和討論分析30%五、設(shè)備及器材材料配置序號(hào)實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備數(shù)量與型號(hào)序號(hào)實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備數(shù)量與型號(hào)1電化學(xué)工作站46甲醇1升2電化學(xué)反應(yīng)池47氫氧化鉀500克3銀

4、-氯化銀參比電極48硫酸1升4鉑對(duì)電極49氯鉑酸1克5電極夾310泡沫鎳1 米六、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及主要參考書1、陸天虹. 能源電化學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，2014.112. 哈曼.電化學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.01 項(xiàng)目簡介和設(shè)計(jì)要求隨著全球?qū)π履茉吹男枨?，燃料電池被廣泛研究。甲醇燃料電池是燃料電池中的一種。使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。甲醇燃料電池具備低溫快速啟動(dòng)、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡單等特性。這使得甲醇燃料電池可能成為未來便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。本項(xiàng)目針對(duì)甲醇燃料電池的核心化學(xué)原理，也就是甲醇的催化氧化，來認(rèn)

5、識(shí)、了解燃料電池化學(xué)能源的原理。學(xué)習(xí)全面的電化學(xué)測(cè)試、表征和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。設(shè)計(jì)要求：（1）學(xué)會(huì)文獻(xiàn)查閱和資料整理。（2）學(xué)會(huì)如何參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，主要包括原理、實(shí)驗(yàn)具體操作步驟、電化學(xué)基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)的分析、評(píng)價(jià)和處理。甲醇的電化學(xué)催化氧化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一、 目的要求：1. 掌握甲醇的電催化氧化機(jī)理和應(yīng)用價(jià)值2. 掌握基本的電化學(xué)能源實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)3. 理解電化學(xué)催化的基本原理二、 實(shí)驗(yàn)原理：甲醇燃料電池是直接利用甲醇水溶液為燃料，氧或空氣作為氧化劑的一種新型燃料電池。由于甲醇在室溫下為液態(tài)，具有很高的能量密度，并且價(jià)格便宜，可以直接從石油、天然氣、煤等原料中獲得，在燃料獲取中能量損耗少，系

6、統(tǒng)效率高。甲醇燃料電池的核心是甲醇在催化劑作用下的電催化氧化。在酸性條件下，以金屬鉑等貴金屬為催化劑，能夠獲得比較穩(wěn)定的能量輸出和電池性能。然而，貴金屬的使用使得甲醇燃料電池的成本很高。在堿性條件下，非貴金屬可用作催化劑，并且具有較好的催化氧化甲醇的能力。本實(shí)驗(yàn)要求用大表面金屬泡沫鎳為催化劑設(shè)計(jì)在堿性條件下的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，通過利用化學(xué)置換反應(yīng)制鉑催化劑，對(duì)兩種不同條件下的甲醇電化學(xué)氧化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在堿性條件下催化反應(yīng)原理：總反應(yīng)式：2CH3OH + 3O2 + 4OH- = 2CO32- + 6H2O正極：O2 + 4e + 2H2O 4OH-負(fù)極：CH3OH - 6e + 8OH- CO32

7、- + 6H2O而在酸性條件下，總反應(yīng)式： 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O正極：O2 + 4e + 4H+ 2H2O負(fù)極：CH3OH - 6e + H2O 6H+ + CO2三、 實(shí)驗(yàn)原料和試劑：泡沫鎳，硫酸，氫氧化鉀，氯化鈉，氯鉑酸。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1. 甲醇在非貴金屬鎳催化劑下的電催化氧化1.1 堿性條件1.1.1 泡沫鎳預(yù)處理：將4條泡沫鎳放在0.25 M 硫酸，0.05 M 氯化鈉溶液中超聲20分鐘，然后用蒸餾水沖洗干凈，將處理過的泡沫鎳保存在蒸餾水水中。其中1條泡沫鎳放置在0.25 M 硫酸，0.05 M 氯化鈉溶液中腐蝕6個(gè)小時(shí)，然后清洗備用。1.1.2電解液為

8、1 M KOH，0.5 M甲醇。將2 mL電解液放置于電解池中，分別插入1條泡沫鎳做工作電極、Pt對(duì)電極和Ag/AgCl參比電極。循環(huán)伏安法條件為：起始電位為0 V，終止電位為1.2 V，掃描速率為10（3圈），20（3圈），50（5圈）,100（5圈） mV/s。利用循環(huán)伏安法確定甲醇的氧化電位時(shí)需與不含甲醇的電解液做對(duì)比進(jìn)行觀察（做20 mV/s掃速的就可以）。1.1.3在恒電位0.4, 0.5，0.6 V下，運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為600 s。對(duì)獲得的I-t曲線進(jìn)行對(duì)比觀察，了解催化過程的變化。并了解電流變化的原因。1.1.4 通過改變甲醇的濃度（0，0.1 M，0.5 M，1 M），利用循環(huán)伏安

9、法來觀察濃度與峰電流輸出的關(guān)系（20 mV/s掃速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)即可）。為什么這樣變化？1.1.5 利用化學(xué)腐蝕方法來改變泡沫鎳的表面積（1.1.1中腐蝕的泡沫鎳），然后利用循環(huán)伏安法和同步電流法比較催化劑腐蝕前后的催化電流變化。（注意實(shí)驗(yàn)時(shí)保持插入深度一致）2. 甲醇在貴金屬鉑催化劑下的電催化氧化鉑電極的制備是通過化學(xué)置換反應(yīng)得到的。利用氯鉑酸和鎳的自發(fā)置換反應(yīng)來制備鉑電極。制備條件為：泡沫鎳條放入3 mL 3 mM 氯鉑酸溶液中置換15 h。2.1 堿性條件電解液為 1 M KOH。甲醇濃度為0.5 M。利用循環(huán)伏安法確定甲醇的氧化電位。在恒電位下，通過觀察電流隨時(shí)間的變化得到催化過程的變化規(guī)

10、律。通過改變甲醇的濃度來觀察濃度與電流輸出的關(guān)系。2.2 酸性條件電解液為0.1 M 硫酸。甲醇濃度1 M。利用以上描述的電化學(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。五、 數(shù)據(jù)收集及處理根據(jù)要求，將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化處理，自行設(shè)計(jì)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。所有數(shù)據(jù)要從軟件導(dǎo)出為.txt文件，自行用Excel軟件繪圖，橫、縱坐標(biāo)名稱及單位要標(biāo)記明確。圖1: 1.1.2中不同掃速下的CV圖對(duì)比；圖2：1.1.2不含甲醇和含有甲醇的CV圖對(duì)比；圖3: 1.1.3中不同恒定電位下的I-t圖對(duì)比；圖4：1.1.4不同甲醇濃度下的CV圖對(duì)比；圖5：1.1.5泡沫鎳腐蝕前后的CV圖和I-t對(duì)比；圖7：2.1中Pt電極在KOH條件下的CV圖與相同條件下的Ni電極的CV圖對(duì)比；圖8： 2.1中Pt電極在KOH條件下的I-t圖與相同條件下的Ni電極的I-t圖對(duì)比；圖9：2.2中Pt電極在H2SO4條件下的CV圖；圖10：2.2中