基于氮化钛上的铱钽混合氧化物催化剂电催化性能的研究
首次利用热分解法制备了以TiN为载体的IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层和粉体电催化剂,采用电化学测试技术和物性分析研究了其析氧、析氢电催化性能以及结构,比较了TiN基体和Ti基体的析氧涂层阳极的电催化活性和寿命,初步研究了以纳米Tin粉体为载体的IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>粉体催化剂担载Pt用于SPE(Solid Polymer Electrolytes)电解水和燃料电池的电催化活性。得到一些令人满意的结论:
TiN基IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层电极作为析氧阳极:
(1)XRD分析表明:420℃~540℃下制备得到的TiN基IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层电极存在着TiN膜,但在560℃下TiN发生了热分解。
(2)电化学阻抗谱证实TiN基IRO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层电极具有多层电化学结构和多孔性结构。
(3)SEM照片观察发现,随着制备温度的降低,该涂层电极的裂纹增多,多孔性结构更加明显,EIS拟合参数Q<,l>、R<,ct>随制备温度下降的变化规律也证实了电极的多孔性程度升高,电极反应电阻减小,电催化活性增大。阳极极化曲线测试发现,随着制备温度的降低,该涂层电极的析氧电催化活性越高,循环伏安电量的变化情况验证了该电极的析氧活性点得到更大程度地提高。在420℃~560℃的制各温度范围内,420℃析氧电流密度最高,高于文献报道的传统Ti基IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层阳极的析氧电流密度。
对460℃下制备的涂层阳极进行了强化寿命实验,发现该种涂层阳极使用寿命高于传统的Ti基阳极,表明TiN作为此类催化电极的载体是可行的。
TiN基IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层电极作为析氢阴极:
XRD分析表明在420℃~540℃下采用热分解的方法制备以TiN为载体的IrO<,2>+Ta<,2>O<,5>涂层电极是可行的。SEM照片观察发现,随着制备温度的降低,该涂层电极的裂纹增多,多孔性结构更加明显,这验证了极化曲线测试的结果,随着制备温度的降低,该涂层电极的析氢电催化活性越高,420℃制备的涂层具有最优的电催化活性。涂层电极的析氢反应电极电位为-0.26 V,低析氢过电位下的Tafel斜率为-40 mVdec<'-1>。循环极化曲线的测试结果表明,涂层电极经过了高析氢过电位区后,由于氧化物表面吸附了大量的氢原子,或者氢原子渗入到氧化物结构中,其完全抑制了氧的阴极还原反应的发生。至此,初步认为TiN作为此类催化电极的载体是可行的。
TiN为载体的粉体催化剂用于电解水和燃料电池:
XRD的测试结果表明纳米TiN粉体发生了强烈的氧化反应,表面催化剂由于TiO<,2>的掺杂形成了IrO<,2>—Ta<,2>O<,5>-TiO<,2>,而基体则可能被氧化成为TiO<,x>N<,y>.TEM测试结果表明,IO<,2>-Ta<,2>O<,5>/TiN纳米粉体的颗粒尺度为2onm~30nm左右,通过热分解的制备方法可以使ItO<,2>—Ta<,2>O<,5>充分附着在载体上,使催化剂得到高度分散。在电解水和质子交换膜燃料电池装置上的初步实验表明,作为质子交换膜燃料电池中阳极氢侧的Pt/IrO<,2>-Ta<,2>O<,5>/TiN催化剂表现出了非常好的电催化性能,纳米TiN担载的粉体催化剂有望成为一种非常有前景的新型催化剂,是值得进一步深入研究的。
氮化钛;二氧化铱;五氧化二钽;电催化;电解水;热分解法
中国海洋大学
硕士
海洋化学
王佳
2006
中文
TQ426.8
65
2007-08-07(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)