操作温度对直接二甲醚燃料电池中Pt及PtRu合金电催化剂表面控制步骤的影响
第十七次全国电化学大会1操作温度对直接二甲醚燃料电池中 Pt 及 PtRu 合金电催化剂表面控制步骤的影响杜磊，陈广宇，张生，高云智，杜春雨，王振波，尹鸽平 *（ 哈尔滨工业大学化工学院特种化学电源研究所，黑龙江，哈尔滨， 150001， E-mail:yingphit@hit.edu.cn）由于具有较高的电化学理论能量密度，在水中有较高溶解度，同时具有低毒性等优点，二甲醚（ dimethyl ether, DME ）开始作为一种有前景的阳极有机分子燃料在质子交换膜燃料电池中使用 [1]。目前对于有机分子发生电催化氧化反应的阳极，碳载铂基催化剂依旧是性能最优异的 [2]。其中PtRu合金催化剂广泛的应用于催化有机小分子的电氧化反应 [3]。这主要是因为 Ru是一种性能优异的助催化剂，能够产生并吸附大量的含氧官能团如 OHad，极易与有机物在 Pt表面电催化氧化产生的类一氧化碳中间产物发生作用，从而降低催化剂的毒化作用，这就是经典的双功能机理 [4]。 Tsutsumi等 [5]曾报道过采用一致的阴极催化剂和不同的阳极催化剂，在 DME 气体直接进料的情况下的一个反常现象： 80℃下 Pt/C阳极催化剂性能好于 PtRu/C； 100℃下 Pt-Ru/C 性能好于 Pt/C。由于阳极进料为气相进料， 电极加湿只能依靠反应自身产生的水来实现， 因此作者将这一现象归结于阳极湿度的影响。为了避免阳极湿度影响这一情况，在本研究中我们采用二甲醚的饱和水溶液，同时研究了操作温度对阳极催化剂性能的影响。并提出了控制步骤转移的假设。图 1展示了部分结果。大体来看，DME 的电氧化经过连续的两步： DME 脱氢并形成中间产物（步骤 1）；在含氧粒子的辅助下中间产物氧化（步骤 2）。 100℃以下， Pt/C催化剂性能好于 Pt-Ru/C，是因为 Pt/C催化剂可以提供更多的 Pt活性位点，恰好步骤 1是控制步骤，更多的活性位点意味着步骤 1的转化速度更快； 100℃以上时， 步骤 2开始转化为控制步骤， 此时中间产物能否尽快脱附或氧化成为关键， 根据双功能机理， Ru元素的引入能够极大的加快这一速度，因此 PtRu/C催化剂显示出了比 Pt/C更为优异的性能。因此， DME 在 Pt电极表面的电催化氧化过程的控制步骤极有可能受温度控制，这为进一步了解DME 的电氧化机理提供了借鉴。图 1 不同阳极催化剂的直接二甲醚燃料电池性能随操作温度的变化，左图：温度对最大功率密度的影响；右图：几个典型温度下的极化曲线和功率密度曲线Fig. 1 Effects of temperatureandanodecatalystson the performanceof DDMEFC: generalobservations(Left) and typicalcurves(Right).本研究为国家 863 项目支持（ 2009AA05Z111 ）参考文献：[1]Cai, K. D.; Yin, G. P.; Lu, L. L.; Gao, Y. Z., Electrochem. Solid.ST, 2008, 11: B205.[2]Kerangueven, G.; Coutanceau, C.; Sibert, E.; Hahn, F.; Leger, J. M.; Lamy, C., J Appl Electrochem, 2006, 36 (4):441.[3]Q. Li, G. Wu, C. M. Johnston and P. Zelenay, ECS Transactions, 2011, 41 (1): 1969.[4] Watanabe,M.; Motoo, S. J. Electroanal. Chem. lnterfa. Electrochem., 1975, 60(3): 267.[5]Haraguchi, T.; Tsutsumi, Y.; Takagi, H.; Tamegai, N.; Yamashita, S., Electr Eng Jpn, 2005, 150 (3): 19.第十七次全国电化学大会2Pt and Pt-Ru Alloy Electrocatalysts for Direct Dimethyl Ether Fuel Cells: TheEffect of Operating Temperature on the Rate-determining StepLei Du, Guangyu Chen, Sheng Zhang, Yunzhi Gao, Chunyu Du, Zhenbo Wang, Geping Yin*（ Institute of AdvancedChemical Power Sources,Harbin Institute of Technology,Heilongjiang,Harbin,150001 E-mail:yingphit@hit.edu.cn）
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