[解答]氢氧燃料电池催化剂的研制与活性评价_西南石油大学

[解答]氢氧燃料电池催化剂的研制与活性评价_西南石油大学 H—O燃料电池催化剂的研制与活性评价22 课 程 近代化学实验 试验项目 H-O燃料电池催化剂研制与活性分析 成绩 22 专业班级 西南石油大学 学 号 指导老师 姓 名 同组人姓名 实验日期 1. 研究目的与背景 1. 学习和了解H—O燃料电池催化剂的研制现状，展望高环保要求清洁能源。22 2. 用沉淀法制备CuFeO,CoxFexO等对O的还原具有较高活性的催化剂。x3-x43-242 3. 以H2O2的催化分解反应评价所制备的催化剂的活性。 4. 随着科学社会的发展,能源问题已经成为普遍关注的社会问题,研制和开发廉价的清洁能 源迫在眉睫，H—O燃料电池是普遍认为的清洁能源，广泛运用于高端的科技探索——22 火箭的发射、H—O燃料电池汽车等。 22 5. 在能源日益短缺的今天，新能源受到愈来愈多的关注，而氢氧燃料电池则是一种有着很 大优点的一种能源。其具有对环境友好的特点受到极大亲睐。但在生产过程中，对催化 剂的要求十分迫切，本实验力求在这一方面做一些研究，并对催化剂的催化效率与MnO2 作一些比较。 2. 催化剂的研制思路与活性评价原理 _ +-1. H—O燃料电池可以用下式表示: )Pt| H(g)|H||HO,OH|O(g)|Pt(+ 22222 电池反应为: -- H电极 2H + 4OH === 4HO + 4e2 22 --O电极 O + 2 HO + 4e === 4OH2 22 2. 室温下O在一般电极材料上还原很慢， 2 3. 必须使用有效的催化剂加速这一反应，才能使燃料电池具有实用价值。铂黑和银黑有很 高的催化活性，但价格太高，不适宜工业生产;经过实验研究发现具有尖晶石结构 4. 的CuFeO,CoxFexO等对O的还原具有较高活性，而用沉淀法制备这类催化剂并不x3-x43-242 难。 5. 根据对O电极反应机理研究得出，电极催化反应过程要生成中间产物HO(碱性溶液2 22- 中主要以HO形式存在)，反应如下: 2--O + 2 HO + 2e === HO + 2OH 2222-- -或 O + HO + 2e === HO + OH222 HO继续分解: 22 HO=== 1/2 O+ HO 22 2 2- - HO === 1/2 O + OH22 再生的O又循环继续发生反应。 2 6. 生成的HO分解缓慢，是整个原电池反应的控制步骤 22 7. 按上述机理，可根据催化剂在KO 8. H溶液中的分解HO的能力来考察其对O电极的还原活性。 222 9. 在碱性溶液中，HO的分解属于一级，其速率方程式为: 22 dc/dt = kc t t 积分得: ln(c/c) = - kt t0 式中:c——t时刻HO的量浓度; t 22 c——HO的初始量浓度; 0 22 k ——反应速率常数。 10. 令V表示HO的全部分解放出 0 22 11. O的体积;V表示HO经时间t后分解放出的体积;则可得: 2 t22 Ln[(V—V)/ V] = — kt ?? t 12. 速率常数k与温度t一般符合阿累尼乌斯公式: E Ln(k/[k]) = —/R , (1/T) + B a 其定积分形式表示为: Ln(k/k) = E/R * [ (T—T)/(T* T)] 12a121 2 式中:E为反应的表观活化能。 a 可以比较不同催化剂表观活化能的大小来评价催化剂的活性。 3. 实验仪器及所需试剂 1( 仪器:锥形反应瓶;量气装置;电子秒表;移液管;滴定管;水准瓶等。 -1-1 -12( 试剂:3% HO溶液;1mol/LKOH溶液;0.1 mol/LKMnO标准溶液;3mol/LHSO22424 -1 溶液;化学纯CuSO?5HO; FeCl?6HO;CoCl ?6HO;5 mol/LNaOH溶液等。423222 4. 催化剂的制备及活性评价过程 1( 催化剂的制备 反应如下: CuSO+ FeCl+ NaOH ? CuFe(OH)+ NaCl + Na SO4 43 x3-x4 2 (CoCl FeCl+ NaOH ? CoFe(OH)+ NaCl ) 23 x3-x4 O+ CuFe(OH)? CuFeO+ HO 2 x3-x4 x3-x4 2 (O+ CoFe(OH)? CoFeO+ HO) 2 x3-x4 x3-x4 2 称取X g CuSO?5HO(或者CoCl ?6HO)于50ml大烧杯中，加20ml水溶解;称4 222 取(5—X)g FeCl?6HO于另一烧杯中，加20ml水溶解。 32 将FeCl溶液洗如250ml烧杯内，在搅拌下缓慢加入CuSO溶液，最后体积约为60ml;43-1 在剧烈搅拌下缓慢加入5 mol/LNaOH溶液，直到pH?12.5. 在水浴中保温30min并在室温下静置沉降，用蒸馏水滗洗沉淀，直到洗水接近中性为止。 将沉淀抽滤，在85?,100?干燥过夜，研磨成粉状。 按上述方法分别制备Cu(Co)、Fe摩尔比(1 :3)、(2 :3)、(3 :3)的六种催化剂，以 备后用。 2( 催化剂的活性评价 -1 在反应器中加入10ml 1mol/L的KOH溶液和5ml3%的HO溶液及20ml HO;准确称取222 0.5g催化剂加入反应器托盘中，塞好瓶塞，并检查是否漏气;调节水准瓶使量气筒初始 液面在零刻度。 关闭旋塞，摇动锥形瓶洗入催化剂，同时开始计时，开动电磁搅拌器，并记录产生每 ml体积的O所经历的时间。 2 取下锥形瓶洗净，换另一催化剂重复同样操作，共测定以上8种催化剂。 -1 取5ml3%的HO溶液于锥形瓶中，加入5ml3mol/L的HSO溶液及20ml HO，用0.1 2224 2-1 mol/LKMnO标准溶液滴定，并计算HO初始量浓度，以确定V。?422 5. 实验数据记录及处理 1( 温度:19?; 压强:97.5kPa. 2( V的测定 ?-1c[KMnO溶液]/ mol/L V[KMnO溶液]/ml V[HO溶液]/ml 4422 0.0936 13.60 2.00 -1计算得:初始浓度: c[H O溶液]= 0.255mol/L 22 完全反应HO体积: V[O] = 57.12ml ? 222 3( Vt的测定 CuxFe3-xO4 xFe3-xO4 CuxFe3-xO4 xFe3-xO4 xFe3-xO4 xFe3-2xO4 xFe3-2xO4 CuCuCuCoCo 催 体化 积 (Cu,Fe摩尔(Cu,Fe摩尔(Cu,Fe摩尔(Cu,Fe摩(Cu,Fe摩尔(Co,Fe摩尔(Co,Fe摩尔MnO 积 2/ml 剂 比1:1) 比1:3) 比2:1) 尔比2:3) 比1:2) 比1:2) 比1:1) 时间/min 间 0.5 0.70 1.20 1.40 2.30 1.75 0.00 1.50 0.24 1.0 1.60 1.50 1.80 2.80 2.15 0.50 2.06 0.96 1.5 2.70 1.80 2.30 3.20 2.78 1.00 2.90 1.56 2.0 4.30 2.30 2.70 4.00 3.50 1.50 3.95 2.16 2.5 6.40 3.00 3.50 4.80 4.58 1.80 4.85 2.76 3.0 8.70 3.80 4.50 5.40 5.85 2.20 6.75 3.76 3.5 11.30 4.50 5.40 6.20 7.40 2.75 8.55 4.36 4.0 14.00 5.50 6.50 7.40 9.05 3.10 10.55 4.86 4.5 16.30 6.50 7.50 8.50 11.45 3.60 13.55 5.36 5.0 19.80 7.50 8.80 10.00 13.75 4.10 13.85 5.86 5.5 21.70 8.70 10.00 11.70 15.95 4.50 15.65 6.46 6.0 24.70 9.90 11.40 13.30 18.50 5.00 18.25 6.96 6.5 27.70 11.20 13.00 15.00 20.76 5.45 19.05 7.46 7.0 30.50 12.50 14.50 17.00 23.55 5.80 20.60 7.96 7.5 33.50 13.70 16.10 19.10 26.46 6.40 22.17 8.46 8.0 36.20 15.40 17.50 21.00 29.45 6.90 23.97 8.96 8.5 39.30 17.00 19.60 23.10 32.40 7.20 25.65 9.46 9.0 42.00 18.40 21.50 25.20 35.50 7.65 27.15 9.96 9.5 45.00 20.00 23.00 27.50 38.86 8.10 28.65 10.46 10.0 47.50 22.00 25.10 29.70 41.96 8.60 30.25 10.96 4. 以-Ln [(V-V)]对时间t作图 ?t CuxFe3-xO4 xFe3-xO4 CuxFe3-xO4 xFe3-xO4 xFe3-xO4 xFe3-2xO4 xFe3-2xO4 CuCuCuCoCo 催 化 -V) Ln (V?t (Cu,Fe摩尔(Cu,Fe摩尔(Cu,Fe摩尔(Cu,Fe摩(Cu,Fe摩尔(Co,Fe摩尔(Co,Fe摩尔MnO 2剂 比1:1) 比1:3) 比2:1) 尔比2:3) 比1:2) 比1:2) 比1:1) 时间/min 间 0.5 4.0328 4.0239 4.0203 4.0041 4.0140 4.0452 4.0185 4.0409 1.0 4.0167 4.0185 4.0131 3.9949 4.0068 4.0364 4.0084 4.0282 1.5 3.9967 4.0131 4.0041 3.9875 3.9953 4.0275 3.9930 4.0175 2.0 3.9669 4.0041 3.9967 3.9726 3.9819 4.0185 3.9735 4.0066 2.5 3.9263 3.9912 3.9819 3.9574 3.9616 4.0131 3.9564 3.9956 3.0 3.8799 3.9763 3.9631 3.9458 3.9371 4.0059 3.9194 3.9771 3.5 3.8247 3.9631 3.9458 3.9303 3.9064 3.9958 3.8830 3.9658 4.0 3.7640 3.9439 3.9243 3.9064 3.8727 3.9894 3.8410 3.9562 4.5 3.7092 3.9243 3.9044 3.8840 3.8214 3.9801 3.7744 3.9466 5.0 3.6195 3.9044 3.8778 3.8527 3.7698 3.9707 3.7675 3.9369 5.5 3.5673 3.8799 3.8527 3.8160 3.7177 3.9631 3.7250 3.9251 6.0 3.4788 3.8548 3.8225 3.7801 3.6538 3.9535 3.6602 3.9152 6.5 3.3817 3.8269 3.7869 3.7405 3.5935 3.9449 3.6394 3.9052 7.0 3.2817 3.7982 3.7523 3.6919 3.5136 3.9381 3.5979 3.8951 7.5 3.1621 3.7709 3.7141 3.6381 3.4230 3.9263 3.5539 3.8849 8.0 3.0407 3.7310 3.6793 3.5868 3.3203 3.9164 3.5010 3.8745 8.5 2.8803 3.6919 3.6249 3.5269 3.2076 3.9104 3.4490 3.8641 9.0 2.7160 3.6564 3.5729 3.4632 3.0736 3.9014 3.4002 3.8535 9.5 2.4949 3.6142 3.5299 3.3884 2.9047 3.8922 3.3489 3.8429 10.0 2.2638 3.5588 3.4664 3.3113 2.7187 3.8820 3.2910 3.8321 CuxFe3-xO4 CuxFe3-xO4 CuxFe3-xO4 CuxFe3-xO4 CuxFe3-xO4 CoxFe3-2xO4 CoxFe3-2xO4 催化剂 (Cu,Fe摩(Cu,Fe摩(Cu,Fe摩(Cu,Fe摩(Cu,Fe摩(Co,Fe摩(Co,Fe摩MnO 2 尔比1:1) 尔比1:3) 尔比2:1) 尔比2:3) 尔比1:2) 尔比1:2) 尔比1:1) -10.18175 0.05171 0.06149 0.07616 0.13264 0.01736 0.08553 0.02055 K/S 6. 结果与讨论 由图和数据比较分析可以得出:在以上八组不同组分催化剂中，Cu,Fe摩尔比1:1的催化剂效果最好，Co,Fe摩尔比1:2的催化剂效果最差，具体催化效果可由图和数据查看得到。 7. 误差分析。 1.称量误差,以及在转药品是纸上有一定量的残留。 称量CuCl)6HO和FeCl )6HO时的误差 2232 2 滗洗时将部分的产物倒掉而导致的 3.测定过氧化氢时其浓滴定时，读数误差 4系统误差及其他人为误差 8. 氢氧燃料电池催化剂及其发展的一点思考 鉴于能源对一个国家和民族的发展与生存的不可比拟的重要性，鼓励发展新能源将对人民福祉作出不言而喻的意义。 1(Cu-Fe系催化剂应可加入其他元素(例如稀土元素)，加以探索可能提高催化 效能。 (氢氧燃料电池的制备方式是否可以该一种制造方式，比如说内部的气体氧化和还原的方法与机理等。2 3(是否可以考虑用其他氧化剂代替O而生产出H—X 燃料电池,(当然要求产物无污染且尽可能的易得与价廉).22 9. 试验过程注意事项 1.催化剂制备过程应该注意操作的安全性,避免产生不必要的伤害;特别是过滤过程,一定要先倾入上层清液,在将沉淀均匀的铺在滤纸上,这样抽滤快,而且不会抽坏滤纸. 2.催化剂评价过程中,催化剂一定要研细;测量之前一定要检查是否漏气;每次读数时水准瓶液面一定要与量气筒液面平齐,这样可消除不同体积的压力差,达到每次测量体积时气体内部压力相同. 3. 数据处理过程一定要注意数据的准确性和步骤的可行性 10. 参考文献 1(成都科技大学物化教研室编.物理化学实验(第三版). 北京:高等教育出版社，1991 2(杨世珖等编. 近代化学实验. 北京:石油工业出版社;2004