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      國(guó)內(nèi)泡沫鎳在燃料電池陰極材料中的應(yīng)用概況

      2019-10-11 08:11:40陳衛(wèi)東陳艷麗王崇國(guó)
      世界有色金屬 2019年16期
      關(guān)鍵詞:碳粉陰極燃料電池

      陳衛(wèi)東,陳艷麗,王崇國(guó)

      (甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 金昌 737100)

      燃料電池按燃料電解質(zhì)的不同,可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PENFC)五大類(lèi)。燃料電池由于對(duì)環(huán)境污染小、噪音小、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn),具有很好的市場(chǎng)前景[1-3]。

      泡沫鎳作為一種新型的功能材料具有高率導(dǎo)電性的多孔骨架三維立體結(jié)構(gòu)、高孔隙率、較大的比表面積等特殊結(jié)構(gòu),顯示出高負(fù)載能力、耐腐阻本蝕、低價(jià)格、低電阻等優(yōu)異的性能,在燃料電池中成為研究的熱點(diǎn)。

      目前,泡沫鎳在燃料電池的陰極電極材料的制備中得到廣泛研究,本文主要簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)泡沫鎳在燃料電池陰極材料中的應(yīng)用,并對(duì)泡沫鎳在燃料電池中的應(yīng)用前景作了展望。

      1 泡沫鎳的化學(xué)性能

      泡沫鎳由于其3D結(jié)構(gòu),且具有一定的孔隙和大的比表面積,在條件合適的情況下能產(chǎn)生較高的功率密度,使電子更容易傳遞,易于擴(kuò)大化生產(chǎn),具備陰極所需要的條件,成為國(guó)內(nèi)研究者研究的熱點(diǎn)[4,5]。

      哈爾濱工程大學(xué)的田永梅采用無(wú)模板生長(zhǎng)法制備了一種泡沫鎳載NiCO2O4納米線陣列陰極材料(圖1),并研究了這種陰極材料對(duì)AI-H2O2半燃料電池的性能。發(fā)現(xiàn)這種陰極材料對(duì)H2O2的電還原顯現(xiàn)了較高的催化活性、穩(wěn)定性和傳質(zhì)性能[6]。

      圖1 SEM泡沫鎳表面被NiCo2O4納米陣列緊密覆蓋

      2 以泡沫鎳作為MFC的陰極和陽(yáng)極的基體材料

      浙江大學(xué)的吳健成在泡沫鎳面涂上包含納米活性炭、超級(jí)炭黑以及20%的聚四氟乙烯(PTFE)的混合物(圖2),制備了一種泡沫鎳陰極。這種陰極材料完全能夠滿(mǎn)足微生物燃料電池(MFC)反應(yīng)器的實(shí)際需求。在滾壓好的陰極上再涂一層PTFE,能使泡沫鎳空氣陰極的防析鹽得到極大改善[7]。

      圖2 泡沫鎳陰極

      內(nèi)蒙古民族大學(xué)的孫麗美以泡沫鎳為基休,采用恒電流沉積法制備了Pd-Ru/Ni(泡沫鎳)催化劑(圖3),考察了它對(duì)H2O2電還原反應(yīng)的催化性能,并以其為陰極,AZ31鎂合金為陽(yáng)極,組裝了Mg-H2O2半燃料電池,并考察了所制備電極對(duì)電池性能的影響[8]。

      圖3 制備的Pd-Ru/Ni(泡沫鎳)電極的SEM形貌

      內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的宋蕾以泡沫鎳作為MFC的陰極和陽(yáng)極的基體材料,并以TiO2粉末和廉價(jià)的柱狀活性炭顆粒的混合物作為催化劑均勻涂敷在電極表面,形復(fù)合電極,考察燃料電池的輸出電壓、功率密度、內(nèi)電阻等電學(xué)性能指標(biāo),在相對(duì)較低造價(jià)的前提下,獲得了較高的產(chǎn)電性能(圖4)[9]。

      圖4 運(yùn)行后陰極表面形貌及微生物生長(zhǎng)情況SEM

      3 泡沫鎳基體材料負(fù)載碳粉催化劑的性能

      曹峰以泡沫鎳材料作為空氣陰極MFC的電極材料,并利用碳粉作為催化劑,考察泡沫鎳基體單獨(dú)使用和負(fù)載碳粉催化劑條件下,反應(yīng)器的不同性能輸出,通過(guò)庫(kù)倫效率、電位曲線和極化曲線的計(jì)算,評(píng)價(jià)了泡沫鎳基體材料負(fù)載碳粉催化劑的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,碳粉可以作為催化劑催化氧化還原反應(yīng)比對(duì)未負(fù)載催化劑的材料具有更強(qiáng)的電化學(xué)信號(hào)響應(yīng)。驗(yàn)證了碳粉可以作為催化劑來(lái)提高空氣陰極泡沫鎳基體MFC系統(tǒng)的性能[10]。

      北京工業(yè)大學(xué)的楊斯琦選用價(jià)格相對(duì)便宜,電導(dǎo)率更高的泡沫鎳作為集電體材料,PTFE作為催化層黏結(jié)劑,聚二甲基硅氧烷(PDMS)做擴(kuò)散層,制備出3種不同復(fù)合比例的MnO2和超級(jí)電容器活性炭(S-AC)復(fù)合催化劑,探究其對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響(圖5)[11]。

      圖5 微生物燃料電池立體構(gòu)型

      4 展望

      綜上所述,由于泡沫鎳特殊的多孔骨架三維立體結(jié)構(gòu)、高負(fù)載能力、較大的比表面積、低價(jià)格、低電阻等優(yōu)異的性能,制成的電極材料性能穩(wěn)定,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)泡沫鎳在燃料電池的應(yīng)用與推廣做了大量研究工作。今后,應(yīng)加大泡沫鎳的基礎(chǔ)研究工作,期待在燃料電池上有更大的應(yīng)用,盡快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

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