氫氧燃料電池催化劑的研制與活性評價 西南石油大學(xué)

1、H2O2燃料電池催化劑的研制與活性評價課 程近代化學(xué)實驗試驗項目H2-O2燃料電池催化劑研制與活性分析成績專業(yè)班級西南石油大學(xué)學(xué) 號指導(dǎo)老師姓 名同組人姓名實驗日期1. 研究目的與背景1. 學(xué)習(xí)和了解H2O2燃料電池催化劑的研制現(xiàn)狀，展望高環(huán)保要求清潔能源。2. 用沉淀法制備CuxFe3-xO4,CoxFe3-2xO4等對O2的還原具有較高活性的催化劑。3. 以H2O2的催化分解反應(yīng)評價所制備的催化劑的活性。4. 隨著科學(xué)社會的發(fā)展,能源問題已經(jīng)成為普遍關(guān)注的社會問題,研制和開發(fā)廉價的清潔能源迫在眉睫，H2O2燃料電池是普遍認(rèn)為的清潔能源，廣泛運用于高端的科技探索火箭的發(fā)射、H2O2燃料電池汽

2、車等。5. 在能源日益短缺的今天，新能源受到愈來愈多的關(guān)注，而氫氧燃料電池則是一種有著很大優(yōu)點的一種能源。其具有對環(huán)境友好的特點受到極大親睞。但在生產(chǎn)過程中，對催化劑的要求十分迫切，本實驗力求在這一方面做一些研究，并對催化劑的催化效率與MnO2作一些比較。2. 催化劑的研制思路與活性評價原理1. H2O2燃料電池可以用下式表示: _ )Pt| H2(g)|H+|H2O,OH-|O2(g)|Pt(+ 電池反應(yīng)為：H2 電極 2H2 + 4OH- = 4H2O + 4e-O2 電極 O2 + 2 H2O + 4e- = 4OH-2. 室溫下O2在一般電極材料上還原很慢，3. 必須使用有效的催化劑加

3、速這一反應(yīng)，才能使燃料電池具有實用價值。鉑黑和銀黑有很高的催化活性，但價格太高，不適宜工業(yè)生產(chǎn)；經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)具有尖晶石結(jié)構(gòu)4. 的CuxFe3-xO4,CoxFe3-2xO4等對O2的還原具有較高活性，而用沉淀法制備這類催化劑并不難。5. 根據(jù)對O2 電極反應(yīng)機理研究得出，電極催化反應(yīng)過程要生成中間產(chǎn)物H2O2（堿性溶液中主要以HO2- 形式存在），反應(yīng)如下：O2 + 2 H2O + 2e- = H2O2 + 2OH-或 O2 + H2O + 2e- = HO2- + OH-H2O2 繼續(xù)分解： H2O2 = 1/2 O2 + H2O HO2- = 1/2 O2 + OH- 再生的O2又循

4、環(huán)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。6. 生成的H2O2 分解緩慢，是整個原電池反應(yīng)的控制步驟7. 按上述機理，可根據(jù)催化劑在KO8. H溶液中的分解H2O2的能力來考察其對O2電極的還原活性。9. 在堿性溶液中，H2O2的分解屬于一級，其速率方程式為：dct /dt = kct 積分得： ln(ct/c0) = - kt式中：ct t時刻H2O2的量濃度； c0 H2O2的初始量濃度； k 反應(yīng)速率常數(shù)。10. 令V0 表示H2O2的全部分解放出11. O2 的體積；Vt表示H2O2經(jīng)時間t后分解放出的體積；則可得： Ln(VV t)/ V = kt12. 速率常數(shù)k與溫度t一般符合阿累尼烏斯公式： Ln(k/

5、k) = Ea/R (1/T) + B其定積分形式表示為： Ln(k1/k2) = Ea/R * (T1T2)/(T1 * T2)式中：Ea 為反應(yīng)的表觀活化能?？梢员容^不同催化劑表觀活化能的大小來評價催化劑的活性。3. 實驗儀器及所需試劑1 儀器：錐形反應(yīng)瓶；量氣裝置；電子秒表；移液管；滴定管；水準(zhǔn)瓶等。2 試劑：3% H2O2溶液；1mol/L-1 mol/L-1 KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液；3mol/L-1H2SO4 溶液；化學(xué)純CuSO4·5H2O; FeCl3·6H2O;CoCl2 ·6H2O;5 mol/L-1 NaOH溶液等。4. 催化劑的制備及活性評價過程

6、1 催化劑的制備反應(yīng)如下：CuSO4 + FeCl3 + NaOH CuxFe3-x（OH）4 + NaCl + Na2 SO4（CoCl2 FeCl3 + NaOH CoxFe3-x（OH）4 + NaCl ）O2 + CuxFe3-x（OH）4 CuxFe3-xO4 + H2O（O2 + CoxFe3-x（OH）4 CoxFe3-xO4 + H2O） 稱取X g CuSO4 ·5H2O（或者CoCl2 ·6H2O）于50ml大燒杯中，加20ml水溶解；稱?。?X）g FeCl3·6H2O于另一燒杯中，加20ml水溶解。將FeCl3溶液洗如250ml燒杯內(nèi)，在攪

7、拌下緩慢加入CuSO4溶液，最后體積約為60ml;在劇烈攪拌下緩慢加入5 mol/L-1 NaOH溶液，直到pH12.5.在水浴中保溫30min并在室溫下靜置沉降，用蒸餾水潷洗沉淀，直到洗水接近中性為止。將沉淀抽濾，在85100干燥過夜，研磨成粉狀。按上述方法分別制備Cu(Co)、Fe摩爾比(1 ：3)、(2 ：3)、(3 ：3)的六種催化劑，以備后用。2 催化劑的活性評價在反應(yīng)器中加入10ml 1mol/L-1 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O;準(zhǔn)確稱取0.5g催化劑加入反應(yīng)器托盤中，塞好瓶塞，并檢查是否漏氣；調(diào)節(jié)水準(zhǔn)瓶使量氣筒初始液面在零刻度。關(guān)閉旋塞，搖動錐形瓶洗

8、入催化劑，同時開始計時，開動電磁攪拌器，并記錄產(chǎn)生每ml體積的O2 所經(jīng)歷的時間。取下錐形瓶洗凈，換另一催化劑重復(fù)同樣操作，共測定以上8種催化劑。取5ml3%的H2O2溶液于錐形瓶中，加入5ml3mol/L-1 的H2SO4 溶液及20ml H2O mol/L-1 KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，并計算H2O2 初始量濃度，以確定V。5. 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理1 溫度:19; 壓強:97.5kPa.2 V的測定cKMnO4溶液/ mol/L-1VKMnO4溶液/mlVH2O2溶液/ml0.093602.00計算得：初始濃度: cH2 O2溶液= 0.255mol/L-1 完全反應(yīng)H2O2體積: V O2

9、 = ml3 Vt的測定化劑 催時間間/min/ml積體積CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比2:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比2:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩爾比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩爾比1:1)MnO21.20 1.40 2.30 1.75 0.00 1.50 0.24 1.60 1.50 1.80 2.80 2.15 0.50 2.06 0.96 1.5 2.70 1.80 2.30 3.20 2.78

10、1.00 2.90 1.56 2.0 4.30 2.30 2.70 4.00 3.50 1.50 3.95 2.16 2.5 6.40 3.00 3.50 4.80 4.58 1.80 4.85 2.76 3.0 8.70 3.80 4.50 5.40 5.85 2.20 6.75 3.76 3.5 11.30 4.50 5.40 6.20 7.40 2.75 8.55 4.36 4.0 14.00 5.50 6.50 7.40 9.05 3.10 10.55 4.86 4.5 16.30 6.50 7.50 8.50 11.45 3.60 13.55 5.36 5.0 19.80 7.50

11、8.80 10.00 13.75 4.10 13.85 5.86 5.5 21.70 8.70 10.00 11.70 15.95 4.50 15.65 6.46 6.0 24.70 9.90 11.40 13.30 18.50 5.00 18.25 6.96 6.5 27.70 11.20 13.00 15.00 20.76 5.45 19.05 7.46 7.0 30.50 12.50 14.50 17.00 23.55 5.80 20.60 7.96 7.5 33.50 13.70 16.10 19.10 26.46 6.40 22.17 8.46 8.0 36.20 15.40 17.

12、50 21.00 29.45 6.90 23.97 8.96 8.5 39.30 17.00 19.60 23.10 32.40 7.20 25.65 9.46 9.0 42.00 18.40 21.50 25.20 35.50 7.65 27.15 9.96 9.5 45.00 20.00 23.00 27.50 38.86 8.10 28.65 10.46 10.0 47.50 22.00 25.10 29.70 41.96 8.60 30.25 10.96 4. 以-Ln (V-Vt )對時間t作圖Ln (V-Vt )化劑 催時間間/minCuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:1)C

13、uxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比2:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比2:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩爾比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩爾比1:1)MnO21.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 催化劑CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比2:1)CuxFe3-xO4(C

14、u,Fe摩爾比2:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩爾比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩爾比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩爾比1:1)MnO2K/S-16. 結(jié)果與討論由圖和數(shù)據(jù)比較分析可以得出：在以上八組不同組分催化劑中，Cu,Fe摩爾比1:1的催化劑效果最好，Co,Fe摩爾比1:2的催化劑效果最差，具體催化效果可由圖和數(shù)據(jù)查看得到。7. 誤差分析。,以及在轉(zhuǎn)藥品是紙上有一定量的殘留。 稱量CuCl26H2O和FeCl3 6H2O時的誤差2 潷洗時將部分的產(chǎn)物倒掉而導(dǎo)致的3.測定過氧化氫時其濃滴定時，讀數(shù)誤差4系統(tǒng)誤差及其他人為誤差8. 氫氧燃料電池催化劑及其發(fā)展的一點思考鑒于能源對一個國家和民族的發(fā)展與生存的不可比擬的重要性，鼓勵發(fā)展新能源將對人民福祉作出不言而喻的意義。1Cu-Fe系催化劑應(yīng)可加入其他元素（例如稀土元素），加以探索可能提高催化效能。2氫氧燃料電池的制備方式是否可以該一種制造方式，比如說內(nèi)部的氣體氧化和還原的方法與機理等。3是否可以考慮用其他氧化劑代替O2而生產(chǎn)出H2X 燃料電池,(當(dāng)然要求產(chǎn)物無污染且盡可能的易得與價廉).9. 試驗過程注意事項1.催化劑制備過程應(yīng)該注意操作的安全性,避免產(chǎn)生不必要的傷害;特別是過濾過程,一定要先傾入上層清液,在將沉淀均勻的鋪