水下自主潜器耐压型电源Al-H2O2半燃料电池的阴极的研究

Al-H2O2半燃料电池具有能量密度高、结构简单、机械充电快捷、安全可靠、耐压等特点，是中型深海水下自主潜器（AUV）的优选电源之一。在AUV上已有多年的成功应用历史。但是由于其阴极结构和催化性能上的缺陷（阴极体积表面积有限、催化剂显著催化H2O2化学分解等）导致电池只能使用极低浓度的H2O2，因而显著降低了其能量密度。本研究将采用三维立体网状结构的金属为基体，在基体上生长过渡金属氧化物纳米线簇并在纳米线上沉积贵金属构成复合催化剂，制备液相传质性能和催化性能均较佳的电极。通过对电极基体的结构、过渡金属氧化物纳米线簇及其负载贵金属催化活性组分、H2O2浓度、温度等对电极性能影响的研究，了解影响电极性能的主要因素及其机理。确定电极的组成、结构、制备方法及制备条件。为进一步提高Al-H2O2半燃料电池性能打下坚实基础。

Al-H2O2半燃料电池能量密度高、结构简单、安全可靠，广泛用做水下自主潜器的动力电源。本项目研究了系列新型H2O2电还原催化电极；从催化剂活性组分、电极结构、制备方法、到催化性能进行了系统的实验研究和机理分析。制备了Co3O4/Ni-foam、NiCo2O4/Ni-foam、CuO/Cu-foil、Au/Ni-foam、Pd/CFC五种具有开放的三维立体结构的电极以及钙钛矿型La1−xSrxMnO3 和Fe-N-C两种粉末催化剂，分别考察了这些电极和电催化剂对H2O2电还原反应的催化活性和稳定性以及作为H2O2基燃料电池（Al-H2O2半燃料电池、直接NaBH4-H2O2燃料电池、直接H2O2-H2O2燃料电池）阴极和（或）阳极的性能。首次发现NiCo2O4、Co3O4、CuO、La1−xSrxMnO3 和Fe-N-C等对H2O2在碱性介质中电还原反应均具高催化活性和良好稳定性，为廉价非贵金属催化剂的研究奠定了基础，扩展了H2O2电催化的研究领域。利用无模板自由生长法，实现了泡沫镍支撑的Co3O4、NiCo2O4、CuO纳米线或纳米片阵列电极的制备；获得了具有三维立体开放结构的新型H2O2电还原反应的催化电极，显著提高了电极的液相传质性能，有效的解决了H2O2分解导致利用率下降问题，为大幅提升H2O2基燃料电池的性能打下了良好的基础。通过方波电势脉冲电沉积法，制备了碳布负的载树枝状Pd电极（Pd/CFC），发现其对H2O2在酸性介质的电还原和碱性介质中电氧化反应的催化性能显著高于传统的碳载Pd催化剂。同时发现，H2O2在酸性溶液中的电还原反应的动力学慢于在碱性溶液中的电氧化反应，为直接H2O2-H2O2燃料电池的研究明确了主攻方向。以Co3O4/Ni-foam为阴极的Al-H2O2半燃料电池，室温下的峰值功率密度达~80 mW cm-2，以Au/Ni-foam为阴极时高达~135 mW cm-2。以Pd/CFC为阴极和阳极的直接H2O2–H2O2燃料电池的峰值功率密度达14.3 mW/cm2，是目前文献报道的最高水平。阐明了H2O2在酸和碱中的开路电位均是H2O2电氧化和电还原反应电位的混合电位，二者之间存在约0.9V的电势差，奠定了直接H2O2–H2O2燃料电池的理论基础。