甲醇的電化學(xué)催化氧化

1、應(yīng)用化學(xué)綜合實驗（項目化）電化學(xué)能源實驗指導(dǎo)書 課程代碼：0703525008         開課學(xué)期：第6學(xué)期      開課專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)實驗學(xué)時： 16學(xué)時                         

2、60;      總學(xué)分/實驗學(xué)分： 0.5學(xué)分綜合實驗室（實驗中心）名稱：生化實驗中心 二級實驗室名稱：應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗室一、課程簡介應(yīng)用化學(xué)綜合實驗電化學(xué)能源實驗是化學(xué)專業(yè)比較新的的一門重要專業(yè)綜合實驗課。本課程是根據(jù)甲醇燃料電池的相關(guān)理論與技術(shù)而展開的。學(xué)生需具有基本的有機化學(xué)、無機化學(xué)、電化學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識。通過本實驗的學(xué)習(xí)，能夠是學(xué)生了解最基本的甲醇燃料電池的工作原理和核心技術(shù)；能夠使學(xué)生對能源及電化學(xué)能源具有初步的認識；能夠為學(xué)生在將來從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。 二、實驗的地位、作用和目的通過此課程的學(xué)習(xí)

3、，對電化學(xué)能源知識具有初步的了解，掌握基本的電化學(xué)技術(shù)。三、實驗方式與基本要求實驗方式以設(shè)計實驗為主，從基礎(chǔ)理論、材料準備、裝置、數(shù)據(jù)的采集與分析等方面進行自主設(shè)計并進行實驗。、掌握甲醇燃料電池的工作原理。、掌握評價甲醇燃料電池性能好壞的方法。、能從實驗中發(fā)現(xiàn)更多的電化學(xué)能源相關(guān)的技術(shù)與理論。 四、報告與考核設(shè)計實驗報告和實驗報告結(jié)果討論等內(nèi)容?？己耍?、設(shè)計實驗的設(shè)計思路和方法40%。2、實驗操作和實驗結(jié)果30%。3、實驗報告和討論分析30%五、設(shè)備及器材材料配置序號實驗儀器、設(shè)備數(shù)量與型號序號實驗儀器、設(shè)備數(shù)量與型號1電化學(xué)工作站46甲醇1升2電化學(xué)反應(yīng)池47氫氧化鉀500克3銀

4、-氯化銀參比電極48硫酸1升4鉑對電極49氯鉑酸1克5電極夾310泡沫鎳1 米六、實驗指導(dǎo)書及主要參考書1、陸天虹. 能源電化學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，2014.112. 哈曼.電化學(xué)，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.01 項目簡介和設(shè)計要求隨著全球?qū)π履茉吹男枨?，燃料電池被廣泛研究。甲醇燃料電池是燃料電池中的一種。使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。甲醇燃料電池具備低溫快速啟動、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡單等特性。這使得甲醇燃料電池可能成為未來便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。本項目針對甲醇燃料電池的核心化學(xué)原理，也就是甲醇的催化氧化，來認

5、識、了解燃料電池化學(xué)能源的原理。學(xué)習(xí)全面的電化學(xué)測試、表征和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。設(shè)計要求：（1）學(xué)會文獻查閱和資料整理。（2）學(xué)會如何參考文獻設(shè)計實驗方案，主要包括原理、實驗具體操作步驟、電化學(xué)基本實驗技術(shù)、數(shù)據(jù)的分析、評價和處理。甲醇的電化學(xué)催化氧化實驗指導(dǎo)書一、 目的要求：1. 掌握甲醇的電催化氧化機理和應(yīng)用價值2. 掌握基本的電化學(xué)能源實驗原理和技術(shù)3. 理解電化學(xué)催化的基本原理二、 實驗原理：甲醇燃料電池是直接利用甲醇水溶液為燃料，氧或空氣作為氧化劑的一種新型燃料電池。由于甲醇在室溫下為液態(tài)，具有很高的能量密度，并且價格便宜，可以直接從石油、天然氣、煤等原料中獲得，在燃料獲取中能量損耗少，系

6、統(tǒng)效率高。甲醇燃料電池的核心是甲醇在催化劑作用下的電催化氧化。在酸性條件下，以金屬鉑等貴金屬為催化劑，能夠獲得比較穩(wěn)定的能量輸出和電池性能。然而，貴金屬的使用使得甲醇燃料電池的成本很高。在堿性條件下，非貴金屬可用作催化劑，并且具有較好的催化氧化甲醇的能力。本實驗要求用大表面金屬泡沫鎳為催化劑設(shè)計在堿性條件下的實驗。同時，通過利用化學(xué)置換反應(yīng)制鉑催化劑，對兩種不同條件下的甲醇電化學(xué)氧化結(jié)果進行對比。在堿性條件下催化反應(yīng)原理：總反應(yīng)式：2CH3OH + 3O2 + 4OH- = 2CO32- + 6H2O正極：O2 + 4e + 2H2O 4OH-負極：CH3OH - 6e + 8OH- CO32

7、- + 6H2O而在酸性條件下，總反應(yīng)式： 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O正極：O2 + 4e + 4H+ 2H2O負極：CH3OH - 6e + H2O 6H+ + CO2三、 實驗原料和試劑：泡沫鎳，硫酸，氫氧化鉀，氯化鈉，氯鉑酸。四、 實驗步驟：1. 甲醇在非貴金屬鎳催化劑下的電催化氧化1.1 堿性條件1.1.1 泡沫鎳預(yù)處理：將4條泡沫鎳放在0.25 M 硫酸，0.05 M 氯化鈉溶液中超聲20分鐘，然后用蒸餾水沖洗干凈，將處理過的泡沫鎳保存在蒸餾水水中。其中1條泡沫鎳放置在0.25 M 硫酸，0.05 M 氯化鈉溶液中腐蝕6個小時，然后清洗備用。1.1.2電解液為

8、1 M KOH，0.5 M甲醇。將2 mL電解液放置于電解池中，分別插入1條泡沫鎳做工作電極、Pt對電極和Ag/AgCl參比電極。循環(huán)伏安法條件為：起始電位為0 V，終止電位為1.2 V，掃描速率為10（3圈），20（3圈），50（5圈）,100（5圈） mV/s。利用循環(huán)伏安法確定甲醇的氧化電位時需與不含甲醇的電解液做對比進行觀察（做20 mV/s掃速的就可以）。1.1.3在恒電位0.4, 0.5，0.6 V下，運行時間設(shè)定為600 s。對獲得的I-t曲線進行對比觀察，了解催化過程的變化。并了解電流變化的原因。1.1.4 通過改變甲醇的濃度（0，0.1 M，0.5 M，1 M），利用循環(huán)伏安

9、法來觀察濃度與峰電流輸出的關(guān)系（20 mV/s掃速下進行實驗即可）。為什么這樣變化？1.1.5 利用化學(xué)腐蝕方法來改變泡沫鎳的表面積（1.1.1中腐蝕的泡沫鎳），然后利用循環(huán)伏安法和同步電流法比較催化劑腐蝕前后的催化電流變化。（注意實驗時保持插入深度一致）2. 甲醇在貴金屬鉑催化劑下的電催化氧化鉑電極的制備是通過化學(xué)置換反應(yīng)得到的。利用氯鉑酸和鎳的自發(fā)置換反應(yīng)來制備鉑電極。制備條件為：泡沫鎳條放入3 mL 3 mM 氯鉑酸溶液中置換15 h。2.1 堿性條件電解液為 1 M KOH。甲醇濃度為0.5 M。利用循環(huán)伏安法確定甲醇的氧化電位。在恒電位下，通過觀察電流隨時間的變化得到催化過程的變化規(guī)

10、律。通過改變甲醇的濃度來觀察濃度與電流輸出的關(guān)系。2.2 酸性條件電解液為0.1 M 硫酸。甲醇濃度1 M。利用以上描述的電化學(xué)方法進行實驗觀察。五、 數(shù)據(jù)收集及處理根據(jù)要求，將實驗獲得的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化處理，自行設(shè)計撰寫實驗報告。所有數(shù)據(jù)要從軟件導(dǎo)出為.txt文件，自行用Excel軟件繪圖，橫、縱坐標名稱及單位要標記明確。圖1: 1.1.2中不同掃速下的CV圖對比；圖2：1.1.2不含甲醇和含有甲醇的CV圖對比；圖3: 1.1.3中不同恒定電位下的I-t圖對比；圖4：1.1.4不同甲醇濃度下的CV圖對比；圖5：1.1.5泡沫鎳腐蝕前后的CV圖和I-t對比；圖7：2.1中Pt電極在KOH條件下的CV圖與相同條件下的Ni電極的CV圖對比；圖8： 2.1中Pt電極在KOH條件下的I-t圖與相同條件下的Ni電極的I-t圖對比；圖9：2.2中Pt電極在H2SO4條件下的CV圖；圖10：2.2中