直接碳燃料电池燃料的研究进展

直接碳燃料电池(DCFC)是一种清洁高效利用碳资源发电的装置。其因能量转换率高,对环境污染小,燃料选择范围广等优点获得了越来越多的关注。DCFC的性能与使用的燃料密切相关,为了探究燃料对DCFC的影响,本文分别阐述了石墨、炭黑、中密度纤维板、生物质、煤、活性炭的特性及改性方法,分析讨论了燃料表面含氧官能团以及燃料中的金属催化剂对阳极电化学反应的促进作用,发现燃料表面化学性质要比比表面积更加重要。同时,本文也提出了对生物质这一优良的可再生资源的期待,为未来DCFC燃料的发展提供参考。     

超支化聚合物氮修饰Pd催化剂促进甲酸电催化氧化

通过原位聚合法制备了以超支化聚合物的氮修饰的PdN_x/C催化剂, 并考察了其催化甲酸电氧化反应的性能. 采用透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等技术研究了氮的引入对催化活性组分Pd的形貌及表面电子形态的影响. 结果表明, 修饰氮后Pd纳米粒子粒径可稳定在2 nm, 并且保持了较高的分散度, 改善了表面Pd电子状态. 与Pd/C催化剂相比, 氮修饰的PdN₂₀/C用于甲酸电氧化的Pd单位质量比活性提高了10.9%.     

从废水到新能源:光催化燃料电池的优化与应用

随着经济的飞速发展,社会对能源的需求日益扩大,对工业废水的无害化处理也提出了更高的要求。光催化燃料电池 (photocatalytic fuel cell, PFC) 在燃料电池中引入半导体光催化材料作为电极,实现了有机污染物高效降解和同步对外产电的双重功能,在废水无害化与资源化利用方面具有潜在的应用价值。半导体光催化电极是PFC系统高效运行的核心组件,增强其可见光响应和光生载流子分离是提高PFC性能的关键策略。反应器结构设计和运行参数优化也有利于改善PFC性能。本文从PFC基本原理和应用入手,综述了PFC在环境污染物资源化处理中的研究进展,并详细阐述了提高PFC的污染控制性能和产电效率的优化手段,为进一步设计高效稳定的PFC系统并实现其在水污染控制和清洁能源生产中的应用提供理论指导。     

生物电化学系统降解多环芳烃萘及微生物群落研究

采用单室空气阴极微生物燃料电池(MFC)反应器构型, 以不同浓度萘为基底物质, 考察MFC的产电性能、 萘降解率、 化学需氧量(COD)和总有机碳含量(TOC)降解率及MFC阴阳极微生物活性和多样性. 结果表明, 循环伏安曲线受不同浓度萘的影响变化较为明显, 随着萘浓度的增大, 最大功率密度呈下降趋势, 且萘对MFC的阴极电极电势影响较大; 当萘的浓度为15 mg/L时, MFC最大功率密度可达(645.841±28.08) mW/m ²; 对萘的降解率高达100%, 且MFC对COD和TOC的降解率随着萘浓度的提高而增大, 但是增大的速率逐渐减小. 对MFC阳极微生物膜进行高通量测序发现, Geobacter是优势菌属, 相对丰度达81%, 阴极主要以Aquamicrobium为主.     

基于平面度的燃料电池电化学性能模拟

 固体氧化物燃料电池的翘曲会影响电极-盖板界面的接触情况，从而影响电化学性能，对相关制造工艺提出了很大的挑战．为了分析燃料电池平面度对放电过程的影响，揭示其潜在的风险，我们建立了两个基于有限元法的仿真模型，对考虑平面度缺陷的燃料电池封装和放电进行分析．在对固体氧化物燃料电池进行平面度测量的基础上，首先建立了具有真实燃料电池翘曲特性的几何模型，分析封装过程中接触压力的分布情况．然后将接触电阻的仿真结果导入到三维多物理场耦合模型中，模拟具有平面度缺陷的燃料电池电化学性能．计算结果展示了燃料电池两侧封装过程中接触压力的分布情况．通过对比有接触电阻和无接触电阻的燃料电池电流密度，分析了电池与盖板的接触对放电过程的影响．结果表明，燃料电池的凹陷面较难达到满意的接触状态，需要比凸起面更大的封装压力．燃料电池表面接触电阻的变化将引起电流传导路径的变化，产生局部高电流或低电流．这项工作强调了在燃料电池中保持均匀分布的接触电阻的重要性，为今后的优化工作奠定了基础．     

配体对钯纳米催化剂的形成及其电活性的影响

分别在EDTA,甘氨酸(Gly)和木质素磺酸钠(Ls)存在下,以硼氢化钠为还原剂,将Pd²⁺还原为Pd纳米颗粒并负载在多壁碳纳米管(MWCNT)表面。采用扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对纳米Pd催化剂的形貌和微结构进行了表征。结果表明:EDTA存在时,所形成的Pd纳米颗粒(Pd-EDTA/MWCNT)的粒径更小,在MWCNT上的分散度更高。采用循环伏安(CV)和计时伏安技术(CA),研究了催化剂在碱性环境中对乙醇的电催化活性。在碱性溶液中对乙醇氧化的电化学研究表明:在Pd-EDTA/MWCNT催化剂上,乙醇氧化反应的起始电位较低,电流密度最大,电子传递阻力较小,反应速率较大,并且对乙醇氧化的电催化活性保持稳定。     

两种功能化纳米金粒子固酶电极的催化性能

以合成的4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子和聚乙烯基吡啶包覆纳米金粒子分别作为固酶载体,制备了2种新型固酶电极,在此基础上组装了2种酶燃料电池。采用电化学方法结合紫外可见分光光度法、透射电镜技术等手段研究了固酶载体的形貌,酶-载体间相互作用对电极表面固定酶分子的光谱学性质,酶-电极间直接电子迁移能力和催化底物反应性能的影响,进一步评估和比较了两种酶燃料电池的能量输出性能。实验结果表明：4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固酶基电极可以实现酶-电极间的直接电子迁移而且对葡萄糖和氧气具有良好的催化性能(催化反应起始电位分别为-0.03和0.96 V,底物转化频率分别是1.3和0.5 s^-1),其催化性能的重现性、长期使用性能、酸碱耐受性和热稳定性良好,随着自组装固酶层数的增加,催化性能随之增强直至达到极限催化电流;电池性能测试结果表明4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固酶基燃料电池的开路电压为0.88 V,最大输出能量密度：864.0 μW·cm^-2,长期使用性能优异(储存3 周后仍可达到最佳能量输出的80%以上)。     

不同方法制备Pt/C催化剂对燃料电池催化活性的影响

分别采用高压有机溶剂法和回流法不同的制备方法,制备了含铂20%(w)的催化剂Pt/C-HP(高压有机溶剂法)和Pt/C-Reflux(回流法)。实验发现:对于甲醇的阳极氧化过程,高压有机溶胶法制得的催化剂活性较高,催化剂Pt/C-HP甲醇氧化峰电流密度是Pt/C-Reflux的1.5倍,且远远高于商业催化剂JM3000含铂20%(w)Pt/C催化剂,催化剂Pt/C-Reflux甲醇氧化峰电流密度与商业催化剂JM3000催化剂相当。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、循环伏安法(CV)等方法对催化剂进行表征的结果表明:高压有机溶胶法制得的催化剂分散性比回流法制得的催化剂好,使得前者催化剂的电化学活性比表面积得到了显著的提高。     

通过载体提高燃料电池催化剂的稳定性

Pt/C是目前质子交换膜燃料电池使用最广泛的一种催化剂,制约其实际应用的关键技术之一是稳定性,增强燃料电池催化剂稳定性研究一直是该领域的热点.本文结合作者课题组的研究工作,综述了通过改进载体材料来提高Pt基催化剂稳定性的一些方法,指出采用更稳定的载体材料以及发展与金属催化剂纳米颗粒有强相互作用的载体材料,是增强催化剂稳定性的努力方向.