本技术涉及一种高效制备直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂及其阳极的方法。该方法通过行星球磨机对铸造合金进行处理,优化催化剂性能,提升电池效率。
背景技术
氢燃料电池是氢能高效利用的代表。与传统化石燃料发动机相比,氢燃料电池具有无污染物排放、噪声低、能量转换效率高、系统反应快等优点。近年来,人们利用硼氢化物的碱性溶液(KBH4
、NaBH4
)直接作为燃料、O2
为氧化剂设计燃料电池得到直接硼氢化物燃料电池(DBFC)。
DBFC是将存储在硼氢化物(BH4
-
)中的化学能(氢能)在阳极催化剂作用下直接转化为电能的新型燃料电池。DBFC具有比一般燃料电池更高的输出电压和能量密度。同时,该类电池也具有可在常温下工作、运输安全等优点。因此,被认为是一种极具吸引力和应用潜力的新型氢燃料电池,将会受到越来越多的关注。
在DBFC的工作过程中,阳极上的硼氢化物中的BH4
-
发生氧化反应(BorohydrideOxidation Reaction,BOR),阴极上的氧气或过氧化氢发生还原反应(Oxygen ReductionReaction ORR)。相应的电极反应方程式如(1)~(3)所示:
阳极反应:BH4
-
+8OH-
→BO2
-
+6H2
O+8e-
(1),
E o
anode
=-1.24V(vs.SHE)
阴极反应:2O2
+4H2
O+8e-
→8OH-
(2),
E o
cathode
=0.4V(vs.SHE)
电池总反应:BH4
-
+2O2
→BO2
-
+2H2
O(3),
E o
cell
=1.64V
由以上反应方程式可知,理论上每个参与反应的BH4
-
在阳极催化剂作用下完全反应可释放8e-
。但在DBFC的实际工作中,BH4
-
在阳极催化剂的作用下发生氧化反应的同时还发生水解反应而释放氢,使放出的电子数往往低于8e-
,从而使燃料的利用率下降。水解反应方程式为:
BH4
-
+ 2H2
O → BO2
-
+ 4H2
↑ (4),
考虑到水解的发生,实际上,一般DBFC阳极上发生的总反应方程式为:
BH4
-
+ xOH-
→ BO2
-
+ ( x-2 ) H2
O + ( 4-x ) H2
↑ + xe-
(5),
式中,x就是实际反应过程中每个BH4
-
所释放的电子数目。可见,x值的大小取决于水解反应进行的强烈与否,而水解反应又直接受阳极催化剂的控制。也就是说,阳极催化剂是决定DBFC释放电子数的关键因素。因此,寻找催化性能好、能抑制水解副反应、价格低廉的阳极催化剂对DBFC发展是至关重要的。
最初,研究者多采用贵金属单质及其合金做DBFC的阳极催化剂,但贵金属催化剂昂贵的成本限制了其广泛应用。为进一步提高阳极催化剂的性能,降低催化剂的成本,研究者们一直在努力寻求一类非贵金属阳极催化剂。近年来,对镍基和钴基过渡金属催化剂的研究较为广泛。钴和镍都可以作为DBFC的阳极催化剂。
CN101667645A公开了一种Ni基催化剂在直接硼氢化物燃料电池阳极中的应用,所述催化剂的活性组分由Ni与I B和VIII B族中的一种或一种以上的金属元素组成,催化剂中活性组分的百分含量为5%~80%,余量为C载体。
CN105655601A公开了一种直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂的制备方法,该制备方法包括:取Co2+
溶液,向其中滴加氨水,搅拌,直至pH值为8.5~9,获得混合液,将所述混合液进行固液分离;取分离后的固相,依次进行清洗、烘干、研磨和焙烧,得到直接硼氢化物燃料电池阳极催化剂。
CN113410476A公开了一种Ag修饰La-Mg-Ni型储氢合金的制备方法,包括以下步骤:(1)La-Mg-Ni型储氢合金的制备:以稀土金属La,金属Co、Mn、Al及中间合金Mg2.5Ni进行感应熔炼,制备得La-Mg-Ni型储氢合金;(2)聚乙烯醇(PVP)+AgNO3
/La-Mg-Ni混合物的制备:a.配制聚乙烯醇(PVP)溶胶;b.配制AgNO3
溶液;c.制备聚乙烯醇(PVP)+AgNO3
/La-Mg-Ni混合物;(3)Ag修饰La-Mg-Ni型储氢合金的制备:将步骤(2)制得的聚乙烯醇(PVP)+AgNO3
/La-Mg-Ni混合物置于紫外氙灯下照射得到Ag修饰La-Mg-Ni型储氢合金。所述Ag修饰La-Mg-Ni型储氢合金可以用作直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂。
CN111952609A公开了一种直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂的制备方法,包括:(1)用金属Ni、Co、Mn、Al和混合稀土Mm做原料,所述Mm由63.1wt.%La,26.0wt.%Ce,2.7wt.%Pr和8.2wt.%Nd组成,采用非自耗真空电弧炉熔炼,熔炼温度高于各金属的熔点温度,获得Mm1-x
Ni2.485
Co0.525
Mn0.28
Al0.21
,x=0.1-0.5合金;(2)将上述熔炼制备获得的Mm1-
x
Ni2.485
Co0.525
Mn0.28
Al0.21
合金粉碎并与Mg粉混合,混合配比按照(Mm1-x
Mgx
)Ni2.485
Co0.525
Mn0.28
Al0.21
,其中x=0.1-0.5,采用高能振动球磨机对混合物进行机械球磨。
与现有的镍基、钴基材料相比,铁基材料更廉价。然而,到目前为止,仍没有发现铁基材料作为直接硼氢化物燃料电池的阳极催化剂的相关研究报道。
实现思路