直接过氧化氢燃料电池催化阴极的设计及催化反应动力学研究

Direct peroxide fuel cell (DPPFC) is a novel type of liquid-feed acid-base fuel cell using H2O2 both as fuel (electrooxidation in alkaline) and oxidant (electroreduction in acid). It shows promising application potentials as space or underwater power source because it has a simple structure, can operate without air, and provides oxygen besides electricity. In this project, we will systemically study the cathode structure, electrocatalysts, electrode reaction kinetics and design of fuel cell according to the specific characteristics of cathode reactions of DPPFC. The cathode will be prepared by electrochemical codeposition of open 3D porous nanowire array structure of alloys of precious metal and transition metals on titanium alloy sheet followed by the removal of transition metals via dealloying, and by multi-step potential pulse electrodeposition of coralloid three-dimensional network metallic hybrid structure on the MWNTs/sponge substrate. Through the investigation of cathode composition, structure and catalytic activity, high performance metal cathodes are expected to be obtained, which possess improved stability and excellent mass transport property. We will attempt to reveal the catalytic mechanism of H2O2 electroreduction in acid electrolyte and to propose the kinetic equation of the electrode reactions. Finally, plastic-based DPPFC will be designed and fabricated. Factors influencing the performance of DPPFC will be investigated. These studies are important for the improvement of DPPFC performance in both theoretical and experimental aspects. Results obtained from this project will provide useful information for the development of DPPFC in practical applications.

直接过氧化氢燃料电池（DPPFC）是一种利用H2O2同时作为燃料（碱中电氧化）和氧化剂（酸中电还原）的新型液态酸碱燃料电池；其结构简单，不依赖空气，发电的同时提供氧气，因而作为水下和空间电源具有巨大发展潜力。本项目针对DPPFC阴极反应的特殊性，从阴极结构、电催化剂、电极反应动力学、燃料电池设计等方面开展系统的研究。拟采用电化学共沉积辅以去合金化法在钛合金集流体上沉积开放多孔贵金属纳米线阵列3D阴极，采用多阶段方波电势脉冲电沉积法在MWNTs/sponge上制备珊瑚状三维立体网络金属复合阴极；通过对催化阴极的组成、结构和性能间相互关系的研究，获得高催化活性金属3D阴极，提高电极的稳定性和传质性能。揭示H2O2电还原反应的催化作用机理，建立反应动力学方程。在此基础上，设计和制备全塑池体的DPPFC，研究影响电池性能的因素及其作用规律。本项目的实施将为提升DPPFC的性能奠定理论和实验基础。

直接过氧化氢燃料电池（DPFCs）是一种利用H2O2同时作为燃料（碱中电氧化）和氧化剂（酸中电还原）的新型液态酸碱燃料电池；其结构简单，不依赖空气，发电的同时提供氧气，因而作为水下和空间电源具有巨大发展潜力。本项目针对直接过氧化氢燃料电池阴极反应的特殊性，从阴极结构、电催化剂、电极反应动力学、燃料电池设计等方面开展系统的研究，完成了三维Au/C@TiO2纳米线阵列、三维Pt-Co纳米片/海绵碳、多孔Pd/C@TiC纳米线阵列、MnO2纳米片、菠萝根状Pd-Au五个系列催化阴极的设计与可控制备。三维Au/C@TiO2纳米线阵列电极在2.0 mol L−1硫酸和0.5 mol L−1过氧化氢溶液中的还原电流密度为369 mA cm−2，这要远远高于商业化Pd/C电极和其他贵金属复合电极。新颖的三维Au/C@TiO2纳米线阵列电极对H2O2在酸性电解液中电还原反应表现出优异的催化活性和稳定性，同时，由于其特殊的结构，使得电极具有良好的传质性能。当过氧化氢浓度为2.0 mol L−1，硫酸浓度为2.0 mol L−1时，多孔Pd/C@TiC纳米线阵列电极表现出最佳的电化学催化性能（0.2 V vs. Ag/AgCl电位下还原电流密度达到了3.47 A mg−1），这一数值要远远高于以前报道的贵金属催化剂催化过氧化氢电还原的催化活性。利用电化学共沉积贵金属（Pd）-贱金属（Ni）法，再化学去合金法刻蚀掉贱金属（Ni）从而得到具有多孔结构的Pd/C@TiC纳米线阵列电极，此电极具有较大的电化学活性比表面积，降低了贵金属的使用量，非常适用于直接过氧化氢燃料电池的阴极催化剂。此法可以扩展到制备其他的多孔贵金属（如Pt，Au，Ag等）催化剂，从而降低了贵金属催化剂的成本。在此基础上，设计、制备和组装了直接过氧化氢燃料电池，考察了阴极、[H2O2]/[H+]、酸性电解质种类、电解液流速、反应温度等对电池性能的影响，为DPFCs燃料电池的发展应用奠定了实验和理论基础。