PAFC空气电极催化层相界面结构分析

提出一个能够在任意运行条件下 (气体压力 P、输出电流密度 I)正确表征 PAFC空气电极行为的数学模型。该模型中表征“气 /液”相界面比表面的 AB与 I在不同的 P下是不同的线性关系。其中在低压下有较深的依赖关系 ,而在高压下 AB趋向与 I无关。表征“液 /固”界面的 AI在不同 P、I下基本保持不变。利用所构建的数学模型对 PAFC空气电极中催化反应层内 O2 电化学还原速度进行了定量分析 ,结果表明 ,高效的反应速度发生在“扩散层 /催化层”与“催化层 /电解质”层界面交界较近的催化反应层中 ,为贵金属催化剂的有效利用提供了理论依据。     

PAFC空气电极气体扩散层数学模型与数值分析

A mathematic model is used to describe the mass transfer of mulfticomponents [O2, H2O(g), N2] in the gas diffusion layer of air electrodes of phosphoric acid fuel cells (PAFC). A program of solving this mathematic model is designed with FORTRAN77. The main factors effecting the efficiency of mass transfer in gas diffusion layer are predicted by means of the numberical analysis of the proposed model. The range of these fartors allowed to change is also determined.     

磷酸型燃料电池空气电极催化反应层数学模型与数值分析

从描述多组分气体在多孔介质中传质的Ｓｔｅｎｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发，结合磷酸型燃料电池空气电极过程的自身特点及ＰＡＦＣ中Ｏ２还原过程的最新成果，建立了描述ＰＡＦＣ空气电极催化反应层中组分传质，反应速度和电分布的数学模型。并对模型中引入的主要参数提出了估算的方法，氧还原过程的电位－电流曲线与实际测量曲线吻合。     

多孔电极三相界面形态的研究

研究了多孔气体电极在电池反应中形成的三相界面的形态及其变化规律。传统的电极多采用部分浸没的使用方式,不利于观察。笔者通过改变传统的电极安装方式,将电极在纵向的距离加大,可以任意调节电极纵向高度,有利于观察三相界面的形成形态。通过锌空气电池实验,总结了三相界面形态的形成以及随着反应时间的变化规律,并对三相界面形态的变化使电极内电解液的电导发生变化进而影响电池内电阻进行了理论分析,通过对比实验给出多孔电极润湿性和孔隙结构对三相界面形态的影响。     

质子交换膜燃料电池膜电极组催化层结构

膜电极组件(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件,而催化层是MEA的核心部分。催化层既是电化学反应的场所,同时也为质子、电子、反应气体和水提供运输通道,其结构对PEMFC的成本及性能有很大的影响。本文综述了近年来国内外催化层结构方面的研究进展,介绍了催化层中聚合物电解质(Nafion)含量、溶剂的性质和其他添加剂对MEA结构和性能的影响,MEA热压参数的研究进展以及目前常见的催化层涂布方法。     

高温质子交换膜燃料电池的复合催化层电极

高温质子交换膜燃料电池具有耐毒化,稳定性好的优势,是具有较强应用前景的一种能源转换装置。 本文制备了具有复合催化层结构的气体扩散电极,用于增强燃料电池阳极的催化性能。 在气体扩散电极中,将偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和聚苯基咪唑聚合物作为催化剂的粘结材料,调节了电极界面的浸润结构。 通过对电极表面形貌和润湿性的表征,发现该种结构的催化层孔隙率和粗糙度更高,双层结构的润湿性差别明显(接触角分别为149°和19°),这有利于形成稳定的三相反应界面。 测试结果表明,该种结构的催化层能够有效提高催化材料的利用效率,燃料电池对氢气燃料的峰值功率密度提高约22%。 与此同时,使用含一氧化碳质量浓度为10000和30000 mg/m³的氢气燃料,电池峰值功率密度能够分别保持82.1%和71.4%,证明该燃料电池对一氧化碳杂质保持了良好的耐毒性。     

PEMFC阴极催化层结构分析

采用CCS法（catalyst coated substrate）构建铂纳米颗粒（Pt-NPs）和铂纳米线（Pt-NWs）双层催化层结构,分析其对单电池电化学性能的影响。对于富铂/贫铂双层铂纳米颗粒结构,靠近质子交换膜侧的富铂层中致密的铂颗粒结构能促进ORR速率,而靠近气体扩散层一侧的具有更高的孔隙率和平均孔尺寸的贫铂层,有利于反应气体的传输和扩散,当贫富铂层铂载量比为1:2时,单电池测试表现出最优性能,在0.6 V时的电流密度达到了1.05 A·cm^-2,峰值功率密度为0.69 W·cm^-2,较常规单层催化层结构提升了21%。在以Pt-NPs作为基底层时生长Pt-NWs时,得到了梯度分布的双层结构。铂颗粒的存在促进了铂前驱体的还原,并为新形成的铂原子提供了沉积位置。在Pt-NPs基底上生长的Pt-NWs具有更均匀的分布以及更致密的绒毛结构,并且自然形成了一种梯度分布。优化后的Pt-NWs催化层在0.6 V时的电流密度提高了21%。含有双层催化层结构的膜电极具有更高的催化剂利用率,对阴极催化层结构的优化和制备提供了新思路。     

多孔与平面硅电极界面的电化学行为

研究了重掺杂n-型单晶硅(CSi)在氢氟酸体系中生成多孔硅(PSi)的电化学行为,根据线性极化曲线,选取不同的电流密度,采用恒电流阳极极化法,制备了一系列多孔硅层。利用扫描电子显微镜对其进行了表面和断面形貌的表征,通过线性扫描极化技术和计时电位法,比较了单晶硅电极和多孔硅电极的电化学行为,分析了多孔硅形成前后的塔菲尔曲线和计时电位曲线,给出了多孔硅形成过程中的重要电化学参数,如腐蚀电流、开路电位、塔菲尔斜率等。并对其进行深入分析,根据实验结果,提出了单晶硅电极/电解质界面和多孔硅电极/电解质界面的结构模型,并利用该模型讨论了两种电极界面的电化学特性。     

电极/溶液界面双电层分子模型发展

电极／溶液界面双电层分子模型发展苏文煅（厦门大学化学系３６１００５）有关两相界面层性质研究，可追溯到上世纪末，其内容（包括实验现象和理论模型）十分广泛。迄今，除金属／溶液界面外，已深入到诸如熔盐，两不互溶液／液，半导体以及绝缘体／电解质溶液界面等各个...     

石墨炔界面:从微观到宏观电极优化策略

石墨炔是新兴的二维碳同素异形体,其独特的结构和性质已经为绿色能源、绿色化学、生物医药、智能电子等领域带来诸多原创的理念.在电化学能源领域,石墨块已经逐渐发展成为该领域中具有巨大发展潜力的关键材料之一,为解决电化学能源领域的诸多关键问题提供了新的思路.本文系统总结了利用石墨炔优异本征性质,解决目前电化学能源器件的瓶颈问题...     

Pd/Pt二元合金电极的制备及氧还原性能

本文利用欠电位沉积亚单层的Cu及Pt置换取代Cu的方法, 制备了具有不同表面元素组成的Pd/Pt二元合金电极(用Pd/Ptx表示, x指欠电位沉积Cu-Pt置换取代Cu过程的次数),并对其表面元素组成、氧还原性能进行了表征. 在控制欠电位沉积Cu的下限电位恒定(0.34 V)的前提下, 表面Pt/Pd的元素组成比通过重复欠电位沉积Cu及Pt置换取代Cu的次数(1~5次)来可控地调变. 光电子能谱(XPS) 以及红外光谱实验表明,Pd/Ptx电极表层区的Pt：Pd元素组成比随着Pt沉积次数增加而增加, 对Pd/Pt4电极, 在电极表层区约2~3 nm内的Pt/Pd的原子比大约是1:4,而最表层裸露Pd原子的比例仍在20%以上。循环伏安结果显示, 随着Pt沉积次数的增加(1-5次), Pd/Ptx电极表面越不易被氧化。氧还原测试结果显示随着Pt沉积次数的增加(1~4次), Pd/Ptx二元金属电极的氧还原活性依次增加, 经过第3次沉积后其氧还原活性已优于纯Pt,而经4次以上沉积,其氧还原活性基本不变。在其它反应条件相同条件的前提下, Pd/Pt4电极上氧还原的半波电位与纯Pt相比右移约25 mV。结合本文与文献的实验结果,我们初步认为Pd/Ptx二元金属体系氧还原性能改善主要源自表层Pd原子导致其邻近的Pt原子上含氧物种吸附能的降低.     

粉末多孔镍电极电化学阻抗谱及其数学模型

镍电极反应动力学在大多情况下是受固态质子扩散过程控制的，以此为出发点建立了具有明确物理意义的镍电极电化学阻抗谱（EIS）的数学模型．并以该模型为基础，讨论了一些模型参数如双电层电容C（d1）、质子扩散系数D及活性物质位于半径γ0等的改变，电极的不同行电状态以及多孔镍电极中的传质过程对镍电极阻抗谱的影响．理论模型较好地解释了一些实验结果．     

多孔电极在电化学体系中的应用

查全性教授是中国现代电化学的奠基人之一. 在他的带领下,武汉大学化学系电化学研究室在基础电化学和应用电化学领域取得了卓越的成绩. 查教授及同事们在过去几十年里,栽培学生无数. 后来,一部分学生有幸成为推动世界电化学学科发展的中坚力量. 在这篇综述中,作者将概述查教授及同事们在电化学领域打下的夯实基础,及作者在多孔电极方向的研究进展. 本文的所有作者均于不同时期毕业于武汉大学. 站在巨人的肩膀上,我们实属荣幸！     

微流控芯片中超微电极的制作及其在芯片-电化学检测中的应用

设计并制作了集成有超微电极的玻璃微流控芯片.在电化学检测芯片1(EC-1)中,以光刻方法制作13μm宽的Pt超微电极,距分离管道末端30μm,优化电极体系和分离电压,检测了电泳分离的神经递质.在电化学检测芯片2(EC-2)中,制作7μm宽的超微电极,在其上游集成城墙式的膜结构,进一步腐蚀后的膜厚度为10μm,具有良好的导电性和散热性能,成功地将高压电场截至在超微电极之前,具有进一步应用于电化学检测的能力.     

粘结剂聚四氟乙烯乳液经过乙醇预处理后对气体扩散电极性能的影响

在气体扩散电极的制作工艺中,加入乙醇对粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)进行预处理.通过伞自动微孔物理化学吸附仪对气体扩散电极进行BET比表面积、Langmuir比表面积、孔分布等进行测试,并用扫描电子显微镜(SEM)检测观察电极表观形貌.以锌电极作为负极组装成锌空气电池,检测在不同的电流密度下气体扩散电极相对锌电极的电位变化,研究PTFE乳液经过乙醇预处理后对电极性能的影响.结果显示,PTFE乳液经过乙醇处理后,先膨胀后收缩,能够增加催化层和气体扩散层的孔隙结构和比表面积,从而使得电极有效电化学反应场所相应增多,减低电极在大电流密度条件下放电时的极化过电位.     

Efficiency of Three-Layered Porous Electrodes with Variable Conductance or Variable Specific Areas of Layers: A Comparative Analysis

Efficiency of action of variable conductance and specific area of porous matrix on the current distribution is compared in identical conditions with the aid of numerical calculations based on a one-dimensional model for a porous electrode. Versions of three-layered flow-through porous electrodes with different and identical parameters are considered at different reactant conversion degrees.     

嵌入化合物电极的电化学阻抗谱: 模型与理论模拟

建立了单个嵌入化合物颗粒、混合颗粒、厚度均匀多孔电极层以及非均匀、多层多孔电极层的理论模型,模拟得了了上述模型的相对应电化学阻抗谱（EIS）特征.结果表明,单个颗粒和混合颗粒表现出相似的阻抗谱特征,均由高频区域内与锂离子通过固体电解质相界面（SEI）膜过程相关的R_SEI‖C_SRI半圆,与电荷传递过程相关的R_ct‖C_dl半圆以及锂离子在固体颗粒内部的扩散相关的斜线三部分组成.对于非均匀、多层多孔嵌入电极而言,一个个新奇的现象就是在阻抗谱中会出现三个半圆,影响第三个半圆现现并形成的因素主要为电极中的颗粒尺寸分布以及电极层的厚度分布,也就是说电极片中出现不同尺寸分布的颗粒以及形成薄厚两种电极层的时候,容易导致阻抗谱中出现第三个半圆.     

Standardized Characterization of Electrocatalytic Electrodes

This paper investigates the utility of ‘cross–lab’ comparative analysis of electrocatalytic electrode performance using standardized modular stack cells and test protocols. Using poly(methylene green)‐modified glassy carbon electrodes as the model system, we characterized electrode fabrication and performance with respect to the catalytic oxidation of NADH at neutral pH and low overpotential. Three sets of experiments were duplicated across four independent laboratories and the experimental results from each set were analyzed and compared in terms of key electroanalytical parameters. Statistical analyses were performed at three distinct levels: 1) the standard deviation among repetitive cycles within an experiment; 2) the standard deviation among repetitive experiments in the same laboratory, and 3) the standard deviation among experiments performed across all four laboratories. Using predefined criteria of ‘reproducibility’ for each level, most parameters were found to be statistically reproducible at most levels. When a particular parameter was found to be irreproducible in a given level, commentary is given on how that information can be used diagnose what chemical/physical aspects of the process were uncontrolled or poorly understood and therefore candidates for future research. This exercise, which is presented as a ‘proof–of‐principle’ step towards the concept of standardizing electrocatalytic evaluation, illustrates the importance of executing electrochemical characterization protocols across several labs and using fixed geometry and dimensions, system configuration, and applied electrochemical conditions. Future work is under way to extend these principles to systems with fluid flow.