氢氧燃料电池催化剂的研制与活性评价 西南石油大学.doc

H2—O2燃料电池催化剂的研制与活性评价
课程近代化学实验试验项目H2-O2燃料电池催化剂研制与活性分析成绩专业班级西南石油大学学号指导老师姓名同组人姓名实验日期
研究目的与背景
学习和了解H2—O2燃料电池催化剂的研制现状，展望高环保要求清洁能源。
用沉淀法制备CuxFe3-xO4,CoxFe3-2xO4等对O2的还原具有较高活性的催化剂。
以H2O2的催化分解反应评价所制备的催化剂的活性。
随着科学社会的发展,能源问题已经成为普遍关注的社会问题,研制和开发廉价的清洁能源迫在眉睫，H2—O2燃料电池是普遍认为的清洁能源，广泛运用于高端的科技探索——火箭的发射、H2—O2燃料电池汽车等。
在能源日益短缺的今天，新能源受到愈来愈多的关注，而氢氧燃料电池则是一种有着很大优点的一种能源。其具有对环境友好的特点受到极大亲睐。但在生产过程中，对催化剂的要求十分迫切，本实验力求在这一方面做一些研究，并对催化剂的催化效率与MnO2作一些比较。
催化剂的研制思路与活性评价原理
H2—O2燃料电池可以用下式表示:_)Pt|H2(g)|H+||H2O,OH-|O2(g)|Pt(+
电池反应为：
H2电极2H2+4OH-===4H2O+4e-
O2电极O2+2H2O+4e-===4OH-
室温下O2在一般电极材料上还原很慢，
必须使用有效的催化剂加速这一反应，才能使燃料电池具有实用价值。铂黑和银黑有很高的催化活性，但价格太高，不适宜工业生产；经过实验研究发现具有尖晶石结构
的CuxFe3-xO4,CoxFe3-2xO4等对O2的还原具有较高活性，而用沉淀法制备这类催化剂并不难。
根据对O2电极反应机理研究得出，电极催化反应过程要生成中间产物H2O2（碱性溶液中主要以HO2-形式存在），反应如下：
O2+2H2O+2e-===H2O2+2OH-
或O2+H2O+2e-===HO2-+OH-
H2O2继续分解：
H2O2===1/2O2+H2O
HO2-===1/2O2+OH-
再生的O2又循环继续发生反应。
生成的H2O2分解缓慢，是整个原电池反应的控制步骤
按上述机理，可根据催化剂在KO
H溶液中的分解H2O2的能力来考察其对O2电极的还原活性。
在碱性溶液中，H2O2的分解属于一级，其速率方程式为：
dct/dt=kct
积分得：ln(ct/c0)=-kt
式中：ct——t时刻H2O2的量浓度；
c0——H2O2的初始量浓度；
k——反应速率常数。
令V0表示H2O2的全部分解放出
O2的体积；Vt表示H2O2经时间t后分解放出的体积；则可得：
Ln[(V∞—Vt)/V∞]=—kt
速率常数k与温度t一般符合阿累尼乌斯公式：
Ln(k/[k])=—Ea/R﹡(1/T)+B
其定积分形式表示为：
Ln(k1/k2)=Ea/R*[(T1—T2)/(T1*T2)]

式中：Ea为反应的表观活化能。
可以比较不同催化剂表观活化能的大小来评价催化剂的活性。
实验仪器及所需试剂
仪器：锥形反应瓶；量气装置；电子秒表；移液管；滴定管；水准瓶等。
试剂：3%H2O2溶液；1mol/L-1KOH溶液；0.1mol/L-1KMnO4标准溶液；3mol/L-1H2SO4溶液；化学纯CuSO4·5H2O;FeCl3·6H2O;CoCl2·6H2O;5mol/L-1NaOH溶液等。
催化剂的制备及活性评价过程
催化剂的制备
反应如下：
CuSO4+FeCl3+NaOH→CuxFe3-x（OH）4+NaCl+Na2SO4
（CoCl2FeCl3+NaOH→CoxFe3-x（OH）4+NaCl）
O2+CuxFe3-x（OH）4→CuxFe3-xO4+H2O
（O2+CoxFe3-x（OH）4→CoxFe3-xO4+H2O）
称取XgCuSO4·5H2O（或者CoCl2·6H2O）于50ml大烧杯中，加20ml水溶解；称取（5—X）gFeCl3·6H2O于另一烧杯中，加20ml水溶解。
将FeCl3溶液洗如250ml烧杯内，在搅拌下缓慢加入CuSO4溶液，最后体积约为60ml;在剧烈搅拌下缓慢加入5mol/L-1NaOH溶液，直到pH≈12.5.
在水浴中保温30min并在室温下静置沉降，用蒸馏水滗洗沉淀，直到洗水接近中性为止。
将沉淀抽滤，在85℃～100℃干燥过夜，研磨成粉状。
按上述方法分别制备Cu(Co)、Fe摩尔比(1：3)、(2：3)、(3：3)的六种催化剂，以备后用。
催化剂的活性评价
在反应器中加入10ml1mol/L-1的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20mlH2O;准确称取0.5g催化剂加入反应器托盘中，塞好瓶塞，并检查是否漏气；调节水准瓶使量气筒初始液面在零刻度。
关闭旋塞，摇动锥形瓶洗入催化剂，同时开始计时，开动电磁搅拌器，并记录产生每ml体积