电池用氧电极催化剂的研究现状
《2024年电化学废水处理技术及高效电催化电极的研究与进展》范文
《电化学废水处理技术及高效电催化电极的研究与进展》篇一一、引言随着工业化的快速发展，废水排放问题日益严重，对环境和人类健康造成了巨大威胁。
电化学废水处理技术因其高效、环保的特性，逐渐成为研究热点。
本文将重点探讨电化学废水处理技术的原理及其应用，并针对高效电催化电极的研究与进展进行详细阐述。
二、电化学废水处理技术电化学废水处理技术是一种利用电化学反应来去除废水中污染物的技术。
该技术主要通过电场作用，使废水中的污染物发生氧化、还原等反应，从而达到净化水质的目的。
电化学废水处理技术具有处理效率高、操作简便、无二次污染等优点。
2.1 电化学废水处理技术的原理电化学废水处理技术主要利用电极反应，将废水中的污染物转化为无害物质。
在阳极，废水中的有机物发生氧化反应，生成二氧化碳、水等无害物质；在阴极，废水中的重金属离子发生还原反应，形成沉淀或气体逸出。
此外，电化学过程中还会产生一些具有强氧化性的物质，如羟基自由基等，可进一步降解有机物。
2.2 电化学废水处理技术的应用电化学废水处理技术广泛应用于工业废水、生活污水等领域。
在工业废水处理中，电化学技术可有效去除废水中的重金属、有机物、氮、磷等污染物；在生活污水处理中，电化学技术可用于提高污水的可生化性，降低有机物的含量。
此外，电化学技术在电解制氢、电解制氧等领域也有广泛应用。
三、高效电催化电极的研究与进展3.1 电催化电极的种类及特点电催化电极是电化学废水处理技术的核心部件，其性能直接影响处理效果。
目前，常见的电催化电极材料包括金属、合金、金属氧化物、碳基材料等。
这些材料具有不同的电催化性能和稳定性，适用于不同的废水处理需求。
3.2 高效电催化电极的研究与进展为了提高电催化电极的性能，研究者们不断探索新型材料和制备方法。
一方面，通过开发具有高比表面积、优异导电性和良好稳定性的新型材料，如纳米材料、复合材料等，提高电极的电催化性能；另一方面，通过优化电极的制备工艺，如热处理、表面修饰等，进一步提高电极的抗腐蚀性和使用寿命。
车用燃料电池与催化剂发展应用前景分析
ＰＦ， ０ｏ） 染、 噪声 低 ， 块 结构 、 木性 强 、 模 积 比功率 高 ， 酸型燃料电池（ Ａ Ｃ 工作温度为 ２０Ｃ 称
把熔融碳酸盐型燃料电池 既 可以集 中供 电， 也适合分散供电。无论是 为低温燃 料电池 ； ＭＦ， ５ ｏ） ＝ 作为 中央集 中型或地区分散型电厂 ， 还是作 （ Ｃ Ｃ 工作温度为 ６０Ｉ 和固体氧化型燃 ＳＦ， ０ ０Ｃ 称为 高 为工厂 、 生活小 区、 大型建筑群以及移动用 料 电池 （Ｏ Ｃ 工作 温度为 １０ ｏ ） 并且 电装置的现场型电厂均非常合适。因此 ， 温燃料电池 ， 高温燃料 电池又被称为面 燃
燃 料 煤气 、天然气、 甲醇等 煤气、天然气 、甲醇等 煤气 、天然气 、甲醇等 纯 Ｈ 、天然气 ２ 电解质 磷酸水溶 液 Ｋ ｉ０ １Ｃ ３溶盐 Ｚ ０ － ２ ３ Ｙ Ｚ ｒ ２Ｙ ０ （Ｓ ）催化剂） 多孔质镍 （ 不要 Ｐ ｔ催化剂）
维普资讯
邹文 穆宏江 王靖 李文兵 车用燃料 电池与催化剂发展应用前景分析
・
问题研 究 ・
车用燃料 电池与催化剂发展应 用前景分析
汽车工程研究院总体所 邹文 穆 宏江 王靖 李文兵
【 要］ 摘 本文概述了燃料 电池 的工作原理和特点 ， 绍 了发 电系统 的组成 以及国内外 的研 究现 介 状， 展望 了这一技术在 电力系统 的应用前景 ， 进一步阐述 了车用燃 料电池的可行性 ， 它将使传统 的 汽车工业 系统产生重大的变革 ， 使汽车更加环保 、 经济。其次介绍 了燃 料电池催 化剂 ， 阐述了国内 外对催 化剂 的研究。最后对燃料电池汽车提出展望 和建议 。
料 电池多 年来一直 被认 为是未来 的发 电技 向高质量排气而进行联合开发 的燃料 电池。 另一种分类是按其开发早晚顺序进行的 ， 把 术 之一 ， 广泛开 展 了研 究 。 并 ＰＦ Ａ Ｃ称为第一代燃料电池 ，把 Ｍ Ｆ Ｃ Ｃ称为
质子交换膜燃料电池电催化剂的研究现状与展望
摘
要： 概述 了质 子 交换膜 燃 料 电池 电催 』 的研 究进 展 以及 制 备技 术 ， 质 子 交换 膜 燃 料 电池 匕剂 就
（ Ｅ Ｃ 的发展 前 景提 出 了作 者的看 法 。 Ｐ ＭＦ ）
关 键词 ： 理化 学 ； 子 交换膜 燃料 电池 ； 料 电池 ；电催 化 剂 物 质 燃
随着 全球 能 源的减 少 以 及环 境 恶 化 的加 剧 ， 开 发环保 的新 能 源逐渐 引起 了人 们 的广 泛关 注 。燃 料
三部分 。电极是 其 核 心 组 成 部 分 ， 电极性 能是 由 而
电催 化剂性 能 、 电极 材 料 与 制 作 工 艺来 决定 的。其 中， 电催化 剂 的性 能 又 决定 着 大 电流 密 度 放 电 时 的
（ Ｆ ） 磷 酸燃 料 电 池 （ Ａ Ｃ） 熔 融 碳 酸 盐 燃 料 电 ＡＣ 、 ＰＦ 、
池 （ Ｆ ） 固体 氧化 物 燃 料 电池 （ Ｏ Ｃ） 后 正 在 ＭＣ Ｃ 、 ＳＦ 之
化 剂 的研究 进展 及 其 制 备 技术 ， 设 计 和 制备 开 发 为
高 效 、 成本 、 毒化 和低过 氧 电位 的 电催化 剂提 供 低 抗
ＺＨＡＮＧ ｕ ｍ ｉ Ｊ ｎ ｎ，Ｗ ＥＮ ｉｇ，Ｌ ｎ Ｍ ｎ ＩＹａ ｇ，ＧＵＡＮ ｅｍｉ ｇ Ｗ ｉ ｎ （ ｕ ｍｉ ｓｔｔ ｏ ｒ ｉｕ ｅａ ， ｕ ｍｎ ， ｕ ｎｎ６ ００ ，Ｃ ｉａ Ｋ ｎ ｎ Ｉ ｔｕｅ ｆ ｅ ｏ ｓＭ ｔｌ Ｋ ｎ ｉｇ Ｙ ｎａ ５ １６ ｈｎ ） ｇｎｉ Ｐ ｃ ｓ
电池性 能 、 行 寿命 及成本 等 。所 以 ， 运 电催 化 剂 的
Pt电极上甲酸电催化氧化机理研究进展_徐杰
第一个关于 甲酸氧化存 在 CO 途径以外 的直 接途径的证据来自电化学微分质谱实验. Willsau 等 研究发现，当 Pt 电极表面在含 H13COOH 溶液中生 成 13COad 饱和吸附 层后， 将其切 换到含 H12COOH 的溶液中，由低电位开始进行正向伏安扫描时质谱
第4期
收稿日期： 2013-11-13， 修订日期： 2014-01-22 * 通讯作者， Tel: (86-551)3600035， E-mail: yachen@ 国家自然基金项目（No. 21273215）资助
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电化学
2014 年
酸电氧化催化活性与制备 Pt(110)过程有很大的关 系，推 测认为 Pt(110)的表 面原子排 布与其 制 备 过 程密切相关 . [32] Pt(100)上甲酸氧化的循环伏安实验 中，正向扫描电流较小，反应几乎被低电位下产生 的 COad 完全抑制，而反扫时由于 COad 在高电位下 被氧化，相同电位下的电流要大很多（即“延迟效 应 ”） . [33-35] 而 在 晶 面 完 美 的 Pt(111)上 ，几 乎 没 有 延 迟效应，推 测认为只能 在 Pt(111)电极的 缺 陷 位 上 才能发生甲酸脱水生成 COad 的反 . 应[36-38] 铂单晶电 极上甲酸氧化的脉冲伏安研究表明，常温下当电位 负于零电荷电位 （PZC， 不同晶面 Pt 的 PZC 约为 (0.4 ± 0.1) V vs. RHE）时，COad 的生成速率随电位的 升高而增大，而当电位正于 PZC 时，COad 的生成速 率随电位增加反而减小[30, . 39-40] 这一点可由图 2 中甲 酸氧化电流随反应时间衰减的斜率证实. 因为 COad 生成的速率越快，电极被毒化速率越大，i-t 斜 率越大. 该结果与电化学红外光谱观察到的现象 一致 ， [19-20] 可能的原因是 甲酸脱水反 应对电极吸 附 物非常敏感，吸附的 H 原子、阴离子或水会抑制甲 酸的吸附与脱水. 当处于 PZC 时，这些物种的覆盖 度 最 低 （ 或 水 的 偶 极 定 向 排 列 程 度 最 低 ）， 甲 酸 几 乎无需竞争吸附， 因此脱水生成 CO 的速率最快. 另外， 在相同电位下 COad 的生成速率也随着温度 上升而增加.
电催化综述
电催化的应用和存在问题1引言电催化法是使电极、电解质界面上的电荷转移加速从而加快电极反应的方法。
电催化技术涉及到的催化剂的选择至关重要，要加速电极反应，必须选用合适的电极材料，所选用的电极材料在通电过程中具有催化剂的作用，从而改变电极反应速率或反应方向，而其本身并不发生质的变化。
现在随着世界各国现代工业的迅猛发展,能源的需求量也随之急剧增加,但二十世纪末以来，我们却面临着燃料煤炭,化石能源日益枯竭，新能源的开发缓慢、能源费用上涨等各种挑战,因而节约有限能源、降低工业生产中的能耗是当务之急。
电化学科学的研究恰好适应了这种要求,电化学科学是以研究如何加速电极上电催化反应速度。
降低电极电位为研究内容,与节能降耗密切相关,特别是在强电流电解过程中的节能,采用电催化电极更是起了巨大的作用。
1电催化技术主要应用于有机污水的电催化处理；含铬废水的电催化降解；烟道气及原料煤的电解脱硫；电催化同时脱除NOx和S0；二氧化碳的电解还原等。
2目前对能源利用、燃料电池和某些化学反应（如丙烯腈二聚、分子氧还原）的电催化作用研究得较深入，今后在开拓精细有机合成方面可能会得到较大的进展，特别是对那些与电子得失有关的氧化还原反应。
本文从污水的电催化处理、电催化活化碳的氧化物、电催化法脱硫脱硝、电催化与燃料电池四个大的方面介绍电催化技术的发展及研究应用现状，以及今后研究的发展趋势。
2污水的电催化处理电化学水处理技术2,3因其具有多功能性、高度的灵活性、易于自动化、无二次污染等其它水处理技术无法比拟的优点,正成为国内外水处理技术研究的热点课题,尤其对那些难于生化降解、对人类健康危害极大“三致”致癌、致畸、致突变有机污染物的去除具有很高的效率,并且又能节省大量的能源。
因而，电化学水处理技术近年来已成为世界水处理技术相当活跃的研究领域,受到国内外的广泛关注。
4相比传统的生物废水处理方法，电催化废水处理技术有更潜在的应用前景。
在比如电催化还原技术是现阶段水处理技术领域的研究热点之一，可将废水中高毒性污染物通过选择性电催化还原转化为低毒性的污染物，对含硝基苯5、氯酚6等的废水取得了良好的处理效果，具有药剂用量少、操作简易、污染物降解选择性强等优点。
电催化 氧化
电催化氧化电催化氧化是一种利用电流作为催化剂的方法，将化学反应转化为电化学反应的过程。
电催化氧化具有高效、环保、可控性强等优点，在能源转化、环境治理、化学合成等领域具有广泛应用前景。
电催化氧化的基本原理是利用电流通过电解反应，将底物氧化成产物。
在这个过程中，电极上的催化剂起到了关键作用。
催化剂能够降低反应的活化能，提高反应速率，从而实现高效的氧化反应。
常用的电催化催化剂有贵金属、过渡金属氧化物、有机分子等。
电催化氧化具有多种应用。
在能源转化方面，电催化氧化可以用于制备燃料电池的阴极催化剂，提高燃料电池的效率和稳定性。
此外，电催化氧化还可以用于水分解制氢、二氧化碳还原制备燃料等领域，为清洁能源的开发做出贡献。
在环境治理方面，电催化氧化可以用于废水处理和大气污染物净化。
通过调控电极材料和催化剂的选择，可以实现废水中有机物的高效降解和重金属离子的去除。
同时，电催化氧化还可以用于大气中有害气体的转化和去除，例如将二氧化硫转化为硫酸等。
在化学合成方面，电催化氧化可以用于有机合成过程中的氧化反应。
传统的有机合成通常需要使用较高的温度和氧化剂，而电催化氧化可以在较温和的条件下实现氧化反应，避免了副反应的产生，并提高了反应的选择性和收率。
尽管电催化氧化具有许多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。
首先，催化剂的设计和制备仍然是一个复杂的问题，需要考虑催化剂的活性、稳定性和成本等因素。
其次，电催化氧化过程中还存在着电极的失活和催化剂的中毒等问题，需要进一步解决。
此外，电催化氧化的反应机理和动力学仍需要深入研究。
电催化氧化是一种具有广泛应用前景的方法，可以用于能源转化、环境治理和化学合成等领域。
随着催化剂设计和电化学技术的不断发展，电催化氧化将得到更广泛的应用，并为解决能源和环境问题做出重要贡献。
锂空气电池正极材料的研究进展
锂空气电池正极材料的研究进展摘要：随着能源产业的飞速发展和环境友好型社会的建设推动，锂空气电池以其极高的理论能量密度及无污染的特点，成为电池体系的研究热点之一。
锂空气电池正极材料对锂空气电池的性能起着重要作用，本文主要综述了锂空气电池正极材料的种类。
主要是碳材料、贵金属及合金，过渡金属及氧化物等。
关键词：锂空气电池，正极，单质，复合材料1引言锂空气电池根据电解液的状态不同，主要可分为水体系、有机体系、水-有机混合体系以及全固态锂空气电池[1]。
在有机体系锂空气电池工作时，原料O通2过多孔空气电极进入到电池内部，在电极表面被催化成氧离子或过氧根离子，与电解质中的锂离子结合生成过氧化锂或氧化锂，沉积在空气电极表面，当产物将空气电极的多孔结构完全堵塞时电池停止放电[2]。
锂空气电池概念自1974年被首次提出，因其不可比拟的理论能量密度，备受研究者的关注，历经几十年的发展和优化，其实际性能也得到了很大的提升，但是，当前的锂空气电池仍面临能量转换效率低、倍率性能差、循环寿命短等问题，极大地阻碍了其实际应用。
正极是锂空气电池的关键组成部分，其上面发生的氧还原反应（ORR)和析氧反应（OER）显著影响电池的工作性能，如过电位、倍率性能、循环稳定性等[3]。
因此，成功开发低成本、高活性、长寿命的高效双功能正极催化剂已成为促进锂空气电池性能提升和发展应用的迫切任务。
2锂空气电池正极单质材料种类碳材料：碳材料包括一些商业碳黑、多孔碳材料、碳纳米管和纳米纤维以及石墨烯等，由于高的导电性、低密度、低成本和易于构造多孔结构等优势，碳材料被广泛应用于锂空气电池中。
碳材料的低质量密度和高导电性有利于锂空气电池获得较大的重量比容量。
碳电极的孔结构可以用现有技术轻松调节，从而提高锂离子和氧气的传输效率[4]。
此外，碳材料的电子结构可以通过掺杂原子进行调整，掺杂原子可以形成催化Li2O2。
基于以上优点，碳材料既可以作为催化剂单独使用，也可以作为其他催化剂的载体使用。
2024年氧化铱(IV)市场发展现状
2024年氧化铱(IV)市场发展现状引言氧化铱(IV)是一种重要的无机化合物，在化工、电子、材料等领域有广泛的应用。
本文将对氧化铱(IV)市场的发展现状进行分析和总结。
市场概述氧化铱(IV)是一种黑色固体，化学式为IrO2。
它具有高熔点、良好的导电性和对环境的稳定性等特点，因此被广泛应用于催化剂、电极材料、电子器件等领域。
随着科技的进步和应用领域的拓展，氧化铱(IV)市场呈现出稳定增长的趋势。
市场分析催化剂行业氧化铱(IV)作为一种重要的催化剂，在石油化工、环保等领域有着广泛的应用。
随着环境保护意识的增强，对于高效催化剂的需求日益增加，这促使氧化铱(IV)在市场上的需求不断增长。
电子器件行业氧化铱(IV)具有良好的导电性和高温稳定性，因此被应用于电子器件中的电极材料。
随着电子器件领域对性能要求的增加，对于导电材料的需求也在不断增长，这为氧化铱(IV)的发展提供了机遇。
新兴市场随着科技的不断进步，新兴市场对于氧化铱(IV)的需求也在逐渐增加。
例如，在太阳能电池、可穿戴设备等领域，氧化铱(IV)作为电子器件的关键材料之一，正受到越来越多的关注和应用。
市场挑战尽管氧化铱(IV)市场发展势头良好，但仍面临一些挑战。
原材料供应氧化铱(IV)的制备需要铱作为原材料，而铱是一种稀有金属，供应相对紧缺。
原材料的供应不足可能会导致市场的波动性增加，从而影响氧化铱(IV)的市场发展。
成本压力由于铱的稀缺性，氧化铱(IV)的制备成本较高。
成本的增加可能会限制氧化铱(IV)的规模化生产，影响其在市场中的竞争力。
环境影响氧化铱(IV)生产过程中可能会对环境造成一定的影响，特别是对于铱的开采和提炼过程。
在环境保护压力增加的背景下，氧化铱(IV)行业需要加强环保意识，采取措施减少环境影响。
市场展望尽管面临一些挑战，氧化铱(IV)市场仍具备良好的发展前景。
技术创新随着技术的进步，对氧化铱(IV)的制备技术和应用技术的研究也在不断深入。
燃料电池的氧还原反应机理分析
燃料电池的氧还原反应机理分析燃料电池是一种利用化学能直接转化为电能的新型能源电池，其工作原理是通过氧还原反应将燃料中的氢气与氧气相互转化并产生电能。
氧还原反应是燃料电池中的关键过程，其机理分析对于燃料电池的性能优化和研究发展具有重要意义。
本文将从燃料电池的氧还原反应机理、反应动力学与催化剂等方面进行分析。
一、氧还原反应机理的基本原理燃料电池的氧还原反应是指氧气分子在电极电位控制下与氢气或燃料中的其他还原性物质发生反应，生成水。
在燃料电池中，氧还原反应分为两个半反应：氧物质电解还原为氢离子和氢物质氧化为水。
氧还原反应的基本原理是通过电子从还原物向氧气传递，实现氧气还原和燃料氧化。
在氧还原反应中，电子由电极表面传递到还原物质的离子或分子中，氧气在电极表面接受电子并与离子或分子结合生成水。
整个反应过程需要催化剂的参与，以降低反应过程中的能垒，提高反应速率。
催化剂扮演着氧还原反应的关键角色。
二、氧还原反应机理的研究方法目前研究氧还原反应机理的方法主要包括实验测定和理论计算两种。
实验测定是通过利用电化学技术，如循环伏安法、旋转圆盘电极法等，来研究和测定氧还原反应的电流-电位行为。
通过测定电流与电位的关系，可以了解反应动力学过程，推断反应机理。
理论计算方法是利用量子化学和分子动力学模拟等手段，通过计算和模拟氧还原反应的反应活化能、反应中间体和过渡态等信息，来预测和理解反应基本机理。
理论计算方法具有一定的局限性，需要基于大量实验数据和已知的反应机理进行验证和修正。
三、氧还原反应机理的主要研究成果在燃料电池领域，已经有许多关于氧还原反应机理的研究成果。
以贵金属催化剂为例，如铂、铱、钯等，它们在燃料电池中作为催化剂广泛应用。
对于铂催化剂而言，很多研究表明氧还原反应存在着先吸附、再电子转移、最后还原的机理过程。
铂催化剂表面上的氧还原反应主要通过吸附在铂表面的氧气分子与铂表面上的水分子生成氧化的OH吸附物种，然后通过电子传递反应生成水。
电化学催化剂的研究及其应用
电化学催化剂的研究及其应用电化学催化剂是一种被广泛运用于化学电池、催化剂和电化学传感器等领域的化学品。
它具有极佳的催化效果和稳定性，同时也可以通过改变其物理化学性质来调整催化剂的催化活性和反应选择性。
本文将从电化学催化剂的定义、应用、性质和研制方法等方面探讨其相关知识。
一、电化学催化剂的定义电化学催化剂是一种可以促进化学反应的物质，可以被固定在电极表面或电极材料中，用于调控电化学反应的动力学过程和化学反应的路径等。
通俗的说，电化学催化剂可以使电化学反应的速率变得更快，从而达到催化物质的目的。
具体而言，电化学催化剂的主要应用领域主要包括以下几个方面：1. 进行电化学合成：电化学催化剂可以用于合成有机和无机化合物，如氢气、氧气、丙烯、环氧化合物等。
2. 催化化学反应：电化学催化剂可以通过调控催化反应的速率来达到催化化学反应的效果，如电解水制氢、氧化还原反应等。
3. 电化学传感器：电化学催化剂可以通过反应速率的变化来检测某种物质，可以被用于环境污染检测、药品检测等。
二、电化学催化剂的性质电化学催化剂的性质是与其催化活性息息相关的。
一些重要的性质包括：1. 催化活性：即电化学催化剂的催化效果，直接影响到化学反应的速度和效率。
2. 稳定性：电化学催化剂在反应过程中不会失去催化活性，能够持续较长的时间。
3. 选择性：电化学催化剂可以选择性地催化某种化学反应，从而避免产生不必要的副反应。
4. 表面结构：电化学催化剂的表面结构对其催化活性和选择性有决定性的影响。
三、电化学催化剂的研制方法随着电化学催化剂应用领域的扩大，对催化剂的研制方法的要求也越来越高。
常见的催化剂研制方法包括：1. 物理法：采用物理蒸发、沉淀、凝胶、离子交换等手段，制备具有特殊结构形态、孔道结构、晶体形态和表面纳米结构的电化学催化剂。
2. 化学法：采用还原、化学沉积、气相沉积等手段，制备具有特殊形态的电化学催化剂。
3. 生物法：利用生物体系中活性因子的手段，将其组装成具有特殊功能的催化剂。
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收稿日期:2002206210 作者简介:黄庆华(1977—),男,河北省人,硕士研究生,研究方向为高能化学电源。
Biography :HUAN G Qing 2hua (1977—),male ,candidate for mas 2ter.电池用氧电极催化剂的研究现状黄庆华, 李振亚, 王 为(天津大学化工学院,天津300072)摘要:氧电极催化剂一直是金属空气电池和燃料电池领域研究的热点。
综述了电池用氧电极电催化剂的研究进展,包括贵金属催化剂(铂、铂合金和银)、钙钛矿型氧化物催化剂、金属有机螯合物催化剂和其它催化剂,认为MnO 2电催化剂与上述催化剂相比,最大的优势在于价格低廉,具有非常广阔的应用前景。
并对氧电极催化剂的研究进行了展望,认为寻找廉价、高效的催化剂已成为提高氧电极性能的关键。
这个问题一旦解决,必将大大推动金属空气电池和燃料电池的发展。
关键词:电池;氧电极;电催化剂;氧还原中图分类号:TM 911.4 文献标识码:A 文章编号:10022087X (2003)增20241204State 2of 2art of re search on electrocatalyst for oxygen electrode in batteryHUAN G Qing 2hua ,L I Zhen 2ya ,WAN G Wei(School of Chemical Engi neeri ng and Technology ,Tianji n U niversity ,Tianji n 300072,Chi na )Abstract :Electrocatalyst for oxygen electrode is the focal point of study on metal 2air cell and fuel cell.The progress and state 2of 2art of the research on electrocatalyst of oxygen electrode for batteries ,including noble metalcatalysts (platinum ,platinum 2based alloy and silver ),perovskite oxides catalysts ,organometallic chelae cata 2lysts and other new catalysts for oxygen reduction ,are reviewed.MnO 2is considered to be the cheapest electro 2catalyst with broad application prospect compared with the above electrocatalysts.The development of the elec 2trocatalyst for oxygen electrode is also prospected and the conclusion is that seeking the catalyst with low cost and high efficiency is the key factor to improve the performance of oxygen electrode and to accelerate the devel 2opment of metal 2air cell and fuel cell.K ey w ords :battery ;oxygen electrode ;electrocatalyst ;oxygen reduction 随着石油资源的枯竭,原油价格上升,环境污染日益严重,燃料电池和金属空气电池的发展在国际上引起广泛重视。
作为电池的正极,氧电极过程可逆性小,还原困难,成为电池反应的主要障碍,在贵金属上其交换电流密度约为10-10A/cm 2。
如何提高氧电极的活性一直是燃料电池和金属空气电池领域研究的重点之一。
由于氧电极反应历程的复杂性,高效氧电极催化剂必须能同时催化两个阶段的反应———氧还原和过氧化氢分解。
然而不同的反应阶段对催化表面的要求有时是彼此矛盾的,降低极化的途径之一是采用混合催化剂,使各反应阶段均能各自在对其有利的反应表面上进行。
氧电极催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂、金属复合氧化物催化剂(尖晶石型、烧绿石型、钙钛矿型)、有机催化剂等方面。
本文将着重介绍贵金属催化剂、钙钛矿型氧化物催化剂和有机螯合物催化剂以及其它催化剂近年的研究现状。
1 贵金属催化剂 常用的贵金属催化剂是铂系催化剂,它们用作氧电极显示出良好的催化活性。
许多工作者研究了铂晶粒大小对催化能力的影响。
Bett 等人[1]发现铂晶粒在3～40nm 时,催化能力与晶粒大小无关。
然而Sattler 等人[2]研究了更小的铂晶粒(018～50nm ),结果表明当晶粒尺寸小于3.5nm 时,铂的催化活性也随之降低,认为这是因为如此小的晶粒通过与碳的相互作用或是离解氧的双位吸附,使铂丧失了一些金属特性。
Ross [3]等人有用循环伏安法研究了Pt (100)面和Pt (111)面在0.5mol/L H 2SO 4中的行为,发现Pt (100)面在氧化物的形成一还原区域(+500mV )展现了更好的可逆性,它的还原峰与Pt(111)面的相比对应着更正的电势,表明Pt (100)面比Pt (111)面更加有利于氧的还原。
在酸性溶液中,铂合金催化剂已逐渐取代了纯铂催化剂,这样不仅提高了铂的利用率,还降低了电极成本,成为今后发展的方向。
Myong 2ki 等人[4]认为在相同的表面积下,Pt 合金图1 Pt和Pt合金催化剂活性与表面积的关系Fig.1 Relationship between catalyst activity and specific surface area of Pt and Pt alloy catalysts 催化剂的活性要比纯Pt催化剂更高(图1),因为Pt合金中相邻Pt2 Pt间的距离减小,有利于氧的吸附。
Takako Toda 等人[5]研究了Pt2Ni、Pt2Co、Pt2Fe合金催化剂的性能,结果表明当Ni、Co、Fe的含量分别为30%、40%、50%时,催化剂的性能达到最佳,是纯铂催化剂的电流密度的10、15和20倍。
文纲要等人[6]采用化学还原沉积法制备了Pt2Mn/C催化剂,通过阴极极化曲线和恒电流放电法研究了氧电极性能,与Pt/C和Pt2Cr/C比较,Pt2Mn/C催化剂具有更高的催化活性,经热处理后性能有更大的提高。
Shibli 等人[7]研究了Pt2Ru电极制备工艺以及在碱性溶液中的性能,认为Teflon含量、热压温度、压力以及持续时间分别为20%(质量百分数)、623K、150kg/cm2、120s时电极性能最佳,催化剂的最佳配比是2.5%(质量百分数)Pt和5%(质量百分数)Ru,此时电池电压0.65V,工作电流密度150mA/cm2。
Tamizham2 mi等人[8]在Pt中掺入Cr、Cu及CuO等制备出了Pt2Cr2Cu催化剂。
通过测试催化剂的氧化还原性能,表明这种合金催化剂的催化活性是Pt催化剂的2倍。
另外,铂会促进碳基体的腐蚀和氧化,影响电极寿命。
因此将铂催化剂分散于不同的载体中,制成复合电极材料,是延长电极寿命、提高铂催化剂利用率的有效途径。
Siyu Y e等人[9]将碳化聚丙烯腈(PAN)气凝胶作为基体与铂盐混合制成高孔隙率、高分散的纳米级PAN/Pt电催化剂(20nm),具有更高的电催化活性。
Mark C等人[10]化学合成了聚二氧环己烷并噻吩(PEDO T)/聚苯乙烯242磺酸(PSS)和PEDO T/聚硫酸乙烯酯(PVS)聚合物作为铂催化剂的载体,催化活性好,但是化学稳定性较差,在空气中放置5个月后,活性降低。
Ag也是常用的贵金属催化剂,混合型的有Ag2Hg、Ag2Ni、Ag2C等。
Ag2Hg催化剂对氧还原过程的催化能力显著优于纯银和纯汞,可能是碱性溶液中汞电极上氧还原为过氧化氢的速度较快,而银则能有效地催化过氧化氢的分解,两者共同作用使整个电极反应较快地进行。
唐伦成等人[11]用石墨载Ag催化剂、活性炭载银催化剂及LaNiO3和银粉混合催化剂,做成三种具有良好微孔结构氧电极催化膜基体,再于膜基体表层区的微孔区,用化学刷镀的方法沉积银,形成一个良好结构的高效催化层。
滕加伟[12]用化学还原法制备Ag2Ni2Bi2Hg/C催化剂对氧还原有较高的活性,当含量为Ag50%2Ni2%2Bi3%2Hg 3%2C42%时,催化剂的活性最佳。
助催化剂的加入使银结晶趋于无定型化,减小银结晶的尺寸,经过5200h的寿命考察后,催化剂的活性没有明显变化。
2 钙钛矿型氧化物催化剂 ABO3(A代表La、Ca、Sr、Ba,B代表Co、Fe、Mn)这种钙钛矿结构的复合氧化物在室温下具有很高的导电率(≈104Ω-1・cm-1),已经作为双功能氧电极的催化剂,在Zn2O电池中得到了应用。
同时,由于在温度高于170℃时,其催化活性可以达到Pt的水平,所以在酸性燃料电池中也已经有了一定的应用[13]。
进一步研究表明,这种氧化物对碱性燃料电池的氧电极也有很强的催化活性[14]。
对于组分A,当A为La和Pr时,其催化活性最高[15]。
并且当A部分被Ca、Sr、Ba取代时,此类氧化物具有更好的电催化活性,且稳定性也能得到很大的提高[16]。
对于组分B,此氧化物在碱性介质中对氧的催化活性的顺序为X C o>X Mn>X Fe,而其稳定性的顺序为Y Fe>Y Mn> Y C o(X表示催化活性,Y表示稳定性)。
所以只有当B为Mn 时,氧化物有较好的活性和化学稳定性。
Y ouichi等人[17]测试了用无定型柠檬酸前驱体法(ACP)及醋酸盐分解法(AD)制备La1-x Ca x CoO3电极的电极性能,ACP法要优于AD法,因为用ACP法制成的La1-x Ca x CoO3的表面积是用AD法制成的5～9倍。
而且电极以100mA/cm2充放电100个循环后,性能稳定。
Lee[18]等人研究了烧结温度及随后的冷却对用ACP法制备具有高表面积和高催化活性催化剂的影响。
他们在650℃时把前驱体骤冷降温,得到了表面积为33m2/g的La1-x Ca x CoO3,这几乎是用慢冷却法制得催化剂的表面积的2倍。
表面积增大源于骤冷时大量微小裂缝的出现,但晶体结构并不发生改变。