一种提高直接硼氢燃料电池镍阳极催化剂性能的添加剂的制作方法
【专利摘要】本发明所涉及的一种提高直接硼氢燃料电池镍阳极催化剂性能的硫脲(TU)添加剂。其制备方法如下：在常压下，温度在293.15～313.15K范围，采用恒电位(?0.8V)法将金属镍沉积到Ni片电极上制成的镍基催化剂作为镍阳极催化剂。配置0.045mol/L的硫脲(TU)溶液，再取1mL配置好的硫脲溶液稀释5倍，使硫脲溶液浓度为0.009mol/L，并以此溶液为电解液添加剂。硫脲(TU)在镍基催化剂表面形成了一层疏水性薄膜，薄膜改变了镍基催化剂表面BH4?分布，提高BH4?电化学氧化效率。硫脲(TU)的添加也引起了BH4?电化学氧化峰电位的偏移；使体系的电化学阻抗变小，放电效率变高，放电电位更负，放电时间更长。
【专利说明】
一种提高直接硼氢燃料电池镍阳极催化剂性能的添加剂
技术领域
[0001]本发明属于电化学应用领域，具体涉及一种提高直接硼氢燃料电池镍阳极催化剂性能的添加剂。
【背景技术】
[0002]目前为了提高直接硼氢燃料电池镍阳极催化剂性能，通常采用Pt、Ag、Pd和Au等价格昂贵的金属催化剂。为了降低成本，具有催化能力的Ni金属也被用作直接硼氢燃料电池的阳极催化剂。然而，现有技术中用镍基作阳极催化剂时，由于Ni在碱性环境中极易腐蚀，失去催化活性，导致BH4-直接氧化时的电化学反应阻抗大，电极反应的电荷传递阻力大，反应速率较慢，BH4—的直接氧化性能不高，燃料放电效率低。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种提高直接硼氢燃料电池镍基催化剂性能的硫脲(TU)添加剂，期望能增强镍基催化剂的耐蚀性，提高職―的直接氧化性能和放电效率。
[0004]本发明所涉及的一种提高直接硼氢燃料电池镍基催化剂性能的硫脲(TU)添加剂，由于硫脲(TU)在镍基催化剂表面形成了一层疏水性薄膜，薄膜改变了镍基催化剂表面BH4 一分布，提高BH4—电化学氧化效率。硫脲(TU)的添加也引起了 BH4—电化学氧化峰电位的偏移；使体系的电化学阻抗变小，放电效率变高，放电电位更负，放电时间更长。
【附图说明】
[0005]图1恒电流放电前镍基催化剂的SEM图；
[0006]图2恒电流放电后镍基催化剂的SEM图；
[0007]图3未添加硫脲BH4-直接氧化的前两周期循环伏安曲线；
[0008]I第一周期2第二周期
[0009]图4添加硫脲前后BH4-直接氧化的前两周期循环伏安曲线；
[0010]I第一周期2第二周期
[0011]图5BH4—直接氧化的前两周期电流值随硫脲浓度变化的曲线；
[0012]I第一周期2第二周期
[0013]图6添加硫脲前后BH4—直接氧化的交流阻抗谱；
[0014]图7添加硫脲前后BH4—的恒电流放电曲线.
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明的方法进一步说明如下:
[0016]实施例1:
[0017]在常压下，温度在293.15?313.15K范围，配置0.2mol/L的NiSO4溶液。将2.0cm2的光滑Ni片(作工作电极)置于上述溶液中，以光滑Ni片为对电极，甘汞电极为参比电极，采用恒电位(-0.8V)法将金属镍沉积到Ni片电极上制成镍基催化剂。称取适量的硼氢化钠(NaBH4)，并将其溶解于2.0moVL的氢氧化钠(NaOH)溶液中，制成0.27mOl/L NaBH4溶液，混合均匀后作为直接NaBH4燃料电池的电解液。配置0.045mo I /L的硫脲溶液，再取ImL配置好的硫脲溶液稀释5倍，使硫脲溶液浓度为0.009mol/L。量取30mL电解液，向其分别加入O、
0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.141^硫脲溶液，以2.00112的镍基催化剂为工作电极，汞/氧化汞电极为参比电极，石墨棒为辅助电极，采用线性电位扫描(LSV)进行性能测试。
[0018]图1和图2分别为恒电流测试前后镍基催化剂的SEM图，从图中可以看出，恒电流放电测试后，镍基催化剂的形貌和测试之前没有改变，其表面附着的白色晶体是硫脲在催化剂表面形成的薄膜干了后的物质。
[0019]本实施例所得未添加硫脲BH4—直接氧化的前两个周期循环伏安曲线如图3所示，可以看出未添加硫脲时，BH4—第一周期直接氧化峰电流是77mA/cm2，第二周期为37mA/cm2。
[0020]图4是添加硫脲前后BH4—直接氧化的前两周期循环伏安曲线，通过与未添加硫脲时对比，添加硫脲后BH4—前两个周期氧化峰电流显著增大，分别达到了90mA/cm2和48mA/cm2，与未添加硫脲峰电流相比，两个周期分别提高了 16.9%和29.7%。说明硫脲的添加抑制了镍基催化剂在碱性条件下的腐蚀，增强了BH4—的直接氧化性能，同时也提高了燃料的利用率。
[0021]图5给出了BH4—氧化峰电流随硫脲浓度变化的前两周期循环伏安曲线。从图中可以看出，在硫脲添加剂的低浓度区域，氧化峰电流随硫脲浓度的增加而增大；当硫脲浓度超出一定范围后，氧化峰电流随硫脲浓度的增大而减小。当硫脲浓度为0.21ymol/L时，BH4—氧化峰电流值最大为179mA，镍基催化剂的催化能力最强。由于硫脲的加入，屏蔽了阳极析氢点，抑制了BH4—水解，使BH4—氧化峰电流在一定硫脲浓度范围内，随硫脲浓度增加而增加，但是当硫脲浓度过大时，会使镍基催化剂失去活性，引起催化剂中毒，致使峰电流下降。
[0022]实施例2:
[0023]在常压下，温度在293.15?313.15K范围，配置0.2mol/L的NiSO4溶液。将2.0cm2的光滑Ni片(作工作电极)置于上述溶液中，以光滑Ni片为对电极，甘汞电极为参比电极，采用恒电位(-0.8V)法将金属镍沉积到Ni片上制成镍基催化剂。称取适量的NaBH4，并将其溶解于2.0mol/L的NaOH溶液中，制成0.27mol/L NaBH4溶液，混合均匀后作为直接NaBH4燃料电池的电解液。向电解液中加入0.21ymol/L硫脲，以2.0cm2的镍基催化剂为工作电极，汞/氧化汞电极为参比电极，石墨棒为辅助电极，进行交流阻抗谱性能测试。
[0024]图6是添加硫脲前后BH4—直接氧化的交流阻抗谱。从图中可以看出，添加硫脲前后BH4—的直接氧化下的电化学阻抗谱存在显著差异。比较图6发现电化学阻抗的直径大小为:TU+镍基〈镍基。半圆弧的直径代表电极反应的电化学阻抗大小。加硫脲的圆弧直径较小，说明在加硫脲后有效抑制了镍基催化剂在碱性条件下的腐蚀，BH4—的直接氧化反应更加容易，电化学反应需克服的能皇小，从而增强了电极反应的电荷传递，显著改善了BH4—的氧化性會K。
[0025]实施例3:
[0026]在常压下，温度在293.15?313.15K范围，配置0.2mol/L的NiSO4溶液。将2.0cm2的光滑Ni片(作工作电极)置于上述溶液中，以Ni片为对电极，甘汞电极为参比电极，采用恒电位(-0.8V)法将金属镍沉积到Ni片上制成镍基催化剂。称取适量的NaBH4,并将其溶解于
2.0mol/L的NaOH溶液中，制成0.27mol/L NaBH4溶液，混合均匀后作为直接NaBH4燃料电池的电解液。向电解液中加入0.18μηιο I /L硫脲，以2.0 cm2的沉积Ni催化剂为工作电极，萊/氧化汞电极为参比电极，石墨棒为辅助电极，进行恒电流放电性能测试。
[0027]图7是在电流密度为lOmA/cm2下，以0.27mol/L NaBH4为电解质溶液，添加硫脲前后BH4—直接氧化的恒电流放电曲线。从图中可以看出，在未加硫脲时，BH4—直接氧化的初始放电电位Eiss=-0.83V;在相同条件下，加硫后BH4—直接氧化的初始放电电位为Etu+織=-0.88V，降低了0.05V。加入硫脲后，BH4—的放电电位更负，电池电压更高，功率也更大。在未加硫脲时BH4—的放电时间为8.7 X 13S，加硫脲后BH4—的放电时间为2.0 X 104s。由公式Q= It =nZF和n = t ’/t，未加硫脲BH4—的放电效率为2.78%，加硫脲后BHf的放电效率为6.4%，放电效率提高了 130%。加入硫脲后，BH4—的放电效率大大提高。
【主权项】
1.本发明所涉及的一种提高直接硼氢燃料电池镍阳极催化剂性能的硫脲(TU)添加剂。其制备方法如下:在常压下，温度在293.15?313.15K范围，采用恒电位(-0.8V)法将金属镍沉积到Ni片电极上制成的镍基催化剂作为镍阳极催化剂。配置0.045mol/L的硫脲溶液，再取ImL配置好的硫脲溶液稀释5倍，使硫脲溶液浓度为0.009mol/L，并以此溶液为电解液添加剂。
【文档编号】H01M4/90GK105826576SQ201610377876
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】余丹梅, 余小芳, 杜园园, 宋前通, 邓维林, 陈昌国
【申请人】重庆大学