不同金屬摻雜的NiB非晶態(tài)電極上硼氫化物的電催化氧化

1、不同金屬摻雜的NiB 非晶態(tài)電極上硼氫化物的電催化氧化傳統(tǒng)能源資源越來越緊缺, 所以迫切需要開發(fā)一種可再生能源以滿足現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展。燃料電池是一種清潔、高效、安全的新型電源, 以硼氫化鈉（堿性溶液）為燃料的直接硼氫化物燃料電池是未來最有發(fā)展前途的能源裝置。理論上 ,硼氫化鈉電催化氧化過程中轉(zhuǎn)移8 個電子。然而 , 陽極上發(fā)生電氧化的同時還存在水解反應(yīng), 導(dǎo)致硼氫化鈉的氧化反應(yīng)不能完全進行。水解反應(yīng)不僅降低了燃料的利用率而且造成了安全隱患。所以,尋找一種成本低又具有高催化活性的陽極催化劑是直接硼氫化物燃料電池走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵所在。非晶態(tài)材料具有不飽和位點多和長程無序短程有序等特點, 使其具有良好

2、的催化性能 , 并且 Ni 基非晶態(tài)材料因制備過程簡單、 價格低廉而受到研究者的廣泛關(guān)注。但在用作電極催化材料時, 納米級 Ni 基非晶態(tài)催化劑存在嚴重團聚現(xiàn)象使其催化性能降低?，F(xiàn)有文獻的研究結(jié)果證明, 添加一種金屬元素是改善團聚現(xiàn)象并且提高 Ni 基非晶態(tài)合金催化活性最為有效的方法之一。本文在 NiB 的基礎(chǔ)上添加第二種金屬M（Cu、 Mo、Zn、Pt 、 Au）, 研究添加金屬元素的 NiB/C 催化劑對 BH₄ 的電氧化行為 , 探討Cu、Mo元素加入量對 NiB/C 催化活性的影響 , 深入分析

3、 BH₄ 在鎳基非晶態(tài)合金催化材料上的電氧化機理。首先, 本實驗采用化學(xué)還原法制備了 Ni₁B_x （x=1、2、3、4）和Ni₁B₃M_0.03（M=Cu、 Mo、Zn、Pt 、 Au）納米顆粒 , 通過 XRD和 SEM物理表征可知所制得Ni<sub>1</s

4、ub>B_x（ x=1、2、3、4）,Ni₁B₃M_0.03（M=Cu、Mo、Zn、Pt 、 Au）納米顆粒呈球形且均為非晶態(tài)結(jié)構(gòu), 其粒徑大約 50 nm。與Ni₁B₃納米粒子相比 ,Ni₁B₃M<sub>0.03&

5、lt;/sub> （ M=Cu、 Mo、Zn、 Pt 、 Au）粒子有較好的分散性。運用循環(huán)伏安（ CV）、線性掃描（ LSV）、交流阻抗（ EIS）以及單電池性能測試等方法對制備的 Ni₁B_x/C （x=1、 2、 3、 4）和Ni₁B₃M_0.03/C （M=Cu、Mo、 Zn、Pt 、Au）納米顆粒進行電化學(xué)測試。從CV結(jié)果可以看出隨著B 含量的增加 ,Ni

6、₁B_x/C 催化劑的電催化活性先增加后減小 , 當Ni:B=1:3 時 Ni₁B_x/C 對 BH₄的電氧化催化作用最佳。當加入Cu、 Mo、Zn、Pt 、Au 時, 提高了Ni₁B₃/C 催化劑對 BH<sub>4&l

7、t;/sub> 的電氧化作用 , 尤其是加入少量的Cu 或 Mo時Ni₁B₃M_0.03/C 電氧化作用明顯提高?；诖?, 本文制備了不同 Cu 或 Mo含量的非晶態(tài)納米顆粒 , 詳細研究了 Cu或Mo加入量對 Ni₁B₃/C 催化活性的影響。采用循環(huán)伏安、線性掃描（ LSV）、交流阻抗（ EIS）等多種電化學(xué)測試技

8、術(shù)對不同組分Ni₁B₃M_x/C（M=Cu或 Mo）的電化學(xué)性能進行表征 , 發(fā)現(xiàn) Cu 或 Mo含量的多少直接影響Ni₁B₃M_x/C 對 BH₄ 的電氧化活性。隨著Cu 含量的增加 ,Ni<sub>1</sub&g

9、t;B₃Cu_x/C 催化劑的電氧化活性呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢 , 其中Ni₁B₃Cu_0.09/C 催化劑具有最好的電氧化活性。通過 LSV的實驗結(jié)果計算出Ni₁B₃Cu_0.09/C 催化劑的轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4.1 。由 EIS 測試結(jié)果

10、可知Ni₁B₃Cu_0.09/C催化劑的電荷轉(zhuǎn)移電阻為4.937 cm²,是Ni₁B₃/C 催化劑的 8 倍。單電池性能測試中 ,Ni₁B₃Cu_0.09/C 催化劑具有最大的功率密度 (1

11、28.75 mW cm^-2) 。實驗結(jié)果表明摻 Cu 提高了Ni₁B₃Cu_x/C 的電催化活性。同樣隨著Mo含量的增加 ,Ni₁B₃Mo_x/C 催化劑的電氧化活性先增加后減小 , 其中 Ni₁B<sub>3</su

12、b>Mo_0.05/C催化劑的電氧化活性最好。 Ni₁B₃Mo_0.05/C催化劑具有最大的氧化峰電流密度(53.5 mAcm^-2), 并且對應(yīng)的最大的功率密度最大 (107.1 mW cm^-2) 。在非晶態(tài) NiB 材料中加入第二種過渡金屬Cu 或 Mo,可顯著提高Ni₁B

13、₃/C 催化劑的電氧化活性 , 其原因如下 : （ 1）加入Cu或 Mo后使 Ni₁B₃/C 催化劑的電化學(xué)活性面積增大,促使 BH₄ 的吸附量增大。（ 2） Cu或 Mo的加入促進了電子的偏移 , 使 B缺電子 , 對 Ni 和 B產(chǎn)生協(xié)同作用 , 有利于硼氫化分子的吸附。（3）加入 Cu或 Mo元素后改善了顆粒的團聚現(xiàn)象, 增大了催化劑的比表面積, 暴露出更多的活性位點 , 有利于反應(yīng)物的吸附和氧化。從而提高催化劑 Ni