Pt有序陣列電極氧還原反應動力學研究

《Pt有序陣列電極氧還原反應動力學研究》是依託武漢理工大學，由潘牧擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：Pt有序陣列電極氧還原反應動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：潘牧
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

氧還原反應動力學緩慢及其反應所需的貴金屬催化劑已成為燃料電池產業化的制約因素。有研究表明，有序化電極是解決氧還原問題的有效途徑之一。本項目將構建鉑有序陣列電極氧還原反應傳質模型，通過密度泛函理論（DFT）計算模擬有序陣列Pt電極表面原子狀態並揭示其對ORR催化活性的影響，闡明電極結構參數與反應物產物的傳輸遷移速率和氧還原極化損失的內在聯繫規律，確定影響因素及增強傳輸速率的機制；同時將採用模板法電化學沉積製備有序Pt納米棒陣列電極，對理論計算結果進行驗證，從而提出適宜的有序化陣列結構參數。在此研究基礎上，通過在電化學聚合聚苯胺(PANI)陣列上用電化學沉積Pt的方法，製備有序Pt/PANI陣列電極，為下一代燃料電池膜電極的開發提供新的思路和理論依據。

結題摘要

燃料電池是一種高效且綠色環保的能源轉化與存儲裝置。然而，燃料電池產業化發展受到了陰極側緩慢的氧還原反應動力學及其催化過程所需貴金屬催化劑成本的嚴重製約。有研究表明，有序化電極的研發有助於解決這一重要科學問題。因此，本項目構建了鉑有序陣列電極氧還原反應傳質模型，通過第一性原理計算研究了有序陣列Pt電極表面原子狀態，揭示了在單層Pt原子表面氧氣吸附形式與反應機制，同時單層Pt表面的氧氣還原反應“分解機制”反應能壘略低於“協同機制”（約0.24 eV）。基於電極過程反應動力學方程和擴散方程，推導出有序膜電極中催化層的氧氣極限擴散厚度為40 µm，並且隨著鉑納米棒直徑增加，產生電流密度 1.5 A [email protected] V 所需有序膜電極的極限厚度也逐漸增加，闡明了電極結構參數與反應物產物的傳輸遷移速率和氧還原極化損失的內在聯繫規律，確定了影響因素及增強傳輸速率的機制。為了電化學沉積法製備有序Pt納米棒陣列電極，首先確定了不同沉積電壓下鉑顆粒粒徑與生長時間關係，推導出在沉積電壓為300 mV時鉑納米顆粒生長速率超過 10 nm s-1。隨著沉積時間增長，成核生長機制由動力學控制向擴散控制轉換。在此研究基礎上，通過電化學聚合聚苯胺(PANI)陣列上用電化學沉積Pt 的方法，確定了採用階梯電流法合成PANI納米陣列的最佳工藝參數為：高氯酸溶液濃度為 0.6 mol L-1，苯胺溶液濃度為 0.2 mol L-1，電流密度為[20/10] µA cm-2，電聚合時間[1800/3600] s。採用恆電勢沉積法製備 PANI-PtED有序納米陣列的比活性和質量活性分別為718.36 µA cm-2Pt 和 0.0771 A mg-1Pt。Pt 膜電極為陰極的單電池開路電壓約為 0.91V，當負載電壓為 0.6V 時，單電池電流密度可達 0.7A cm-2。本項目製備的有序 Pt/PANI 陣列電極，為下一代燃料電池膜電極的開發提供新的思路和理論依據。