搜索
H2—O2燃料电池催化剂的研制与活性评价课程近代化学实验试验项目H2-O2燃料电池催化剂研制与活性分析成绩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H2—O2燃料电池催化剂的研制现状，展望高环保要求清洁能源。2.用沉淀法制备CuxFe3-xO4,CoxFe3-2xO4等对O2的还原具有较高活性的催化剂。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，H2—O2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——火箭的发射、H2—O2燃料电池汽车等。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.H2—O2燃料电池可以用下式表示:_)Pt|H2(g)|H+||H2O,OH-|O2(g)|Pt(+电池反应为：H2电极2H2+4OH-===4H2O+4e-O2电极O2+2H2O+4e-===4OH-2.室温下O2在一般电极材料上还原很慢，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CuxFe3-xO4,CoxFe3-2xO4等对O2的还原具有较高活性，而用沉淀法制备这类催化剂并不难。5.根据对O2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H2O2（碱性溶液中主要以HO2-形式存在），反应如下：O2+2H2O+2e-===H2O2+2OH-或O2+H2O+2e-===HO2-+OH-H2O2继续分解：H2O2===1/2O2+H2OHO2-===1/2O2+OH-再生的O2又循环继续发生反应。6.生成的H2O2分解缓慢，是整个原电池反应的控制步骤7.按上述机理，可根据催化剂在KO8.H溶液中的分解H2O2的能力来考察其对O2电极的还原活性。9.在碱性溶液中，H2O2的分解属于一级，其速率方程式为：dct/dt=kct积分得：ln(ct/c0)=-kt式中：ct——t时刻H2O2的量浓度；c0——H2O2的初始量浓度；k——反应速率常数。10.令V0表示H2O2的全部分解放出11.O2的体积；Vt表示H2O2经时间t后分解放出的体积；则可得：Ln[(V∞—Vt)/V∞]=—kt12.速率常数k与温度t一般符合阿累尼乌斯公式：Ln(k/[k])=—Ea/R﹡(1/T)+B其定积分形式表示为：Ln(k1/k2)=Ea/R*[(T1—T2)/(T1*T2)]式中：Ea为反应的表观活化能。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。2．试剂：3%H2O2溶液；1mol/L-1KOH溶液；0.1mol/L-1KMnO4标准溶液；3mol/L-1H2SO4溶液；化学纯CuSO4·5H2O;FeCl3·6H2O;CoCl2·6H2O;5mol/L-1NaOH溶液等。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：CuSO4+FeCl3+NaOH→CuxFe3-x（OH）4+NaCl+Na2SO4（CoCl2FeCl3+NaOH→CoxFe3-x（OH）4+NaCl）O2+CuxFe3-x（OH）4→CuxFe3-xO4+H2O（O2+CoxFe3-x（OH）4→CoxFe3-xO4+H2O）称取XgCuSO4·5H2O（或者CoCl2·6H2O）于50ml大烧杯中，加20ml水溶解；称取（5—X）gFeCl3·6H2O于另一烧杯中，加20ml水溶解。将FeCl3溶液洗如250ml烧杯内，在搅拌下缓慢加入CuSO4溶液，最后体积约为60ml;在剧烈搅拌下缓慢加入5mol/L-1NaOH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．催化剂的活性评价在反应器中加入10ml1mol/L-1的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20mlH2O;准确称取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O2所经历的时间。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。取5ml3%的H2O2溶液于锥形瓶中，加入5ml3mol/L-1的H2SO4溶液及20mlH2O，用0.1mol/L-1KMnO4标准溶液滴定，并计算H2O2初始量浓度，以确定V∞。5.实验数据记录及处理1．温度:19℃;压强:97.5kPa.2．V∞的测定c[KMnO4溶液]/mol/L-1V[KMnO4溶液]/mlV[H2O2溶液]/ml0.093613.602.00计算得：初始浓度:c[H2O2溶液]=0.255mol/L-1完全反应H2O2体积:V∞[O2]=57.12ml3．Vt的测定CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比2:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比2:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩尔比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩尔比1:1)MnO20.50.701.201.402.301.750.001.500.241.01.601.501.802.802.150.502.060.961.52.701.802.303.202.781.002.901.562.04.302.302.704.003.501.503.952.162.56.403.003.504.804.581.804.852.763.08.703.804.505.405.852.206.753.763.511.304.505.406.207.402.758.554.364.014.005.506.507.409.053.1010.554.864.516.306.507.508.5011.453.6013.555.365.019.807.508.8010.0013.754.1013.855.865.521.708.7010.0011.7015.954.5015.656.466.024.709.9011.4013.3018.505.0018.256.966.527.7011.2013.0015.0020.765.4519.057.467.030.5012.5014.5017.0023.555.8020.607.967.533.5013.7016.1019.1026.466.4022.178.468.036.2015.4017.5021.0029.456.9023.978.968.539.3017.0019.6023.1032.407.2025.659.469.042.0018.4021.5025.2035.507.6527.159.969.545.0020.0023.0027.5038.868.1028.6510.4610.047.5022.0025.1029.7041.968.6030.2510.96催化剂体积积/ml时间间/min4.以-Ln[(V∞-Vt)]对时间t作图CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比2:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比2:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩尔比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩尔比1:1)MnO20.54.03284.02394.02034.00414.01404.04524.01854.04091.04.01674.01854.01313.99494.00684.03644.00844.02821.53.99674.01314.00413.98753.99534.02753.99304.01752.03.96694.00413.99673.97263.98194.01853.97354.00662.53.92633.99123.98193.95743.96164.01313.95643.99563.03.87993.97633.96313.94583.93714.00593.91943.97713.53.82473.96313.94583.93033.90643.99583.88303.96584.03.76403.94393.92433.90643.87273.98943.84103.95624.53.70923.92433.90443.88403.82143.98013.77443.94665.03.61953.90443.87783.85273.76983.97073.76753.93695.53.56733.87993.85273.81603.71773.96313.72503.92516.03.47883.85483.82253.78013.65383.95353.66023.91526.53.38173.82693.78693.74053.59353.94493.63943.90527.03.28173.79823.75233.69193.51363.93813.59793.89517.53.16213.77093.71413.63813.42303.92633.55393.88498.03.04073.73103.67933.58683.32033.91643.50103.87458.52.88033.69193.62493.52693.20763.91043.44903.86419.02.71603.65643.57293.46323.07363.90143.40023.85359.52.49493.61423.52993.38842.90473.89223.34893.842910.02.26383.55883.46643.31132.71873.88203.29103.8321催化剂Ln(V∞-Vt)时间间/minCuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比2:1)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比2:3)CuxFe3-xO4(Cu,Fe摩尔比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩尔比1:2)CoxFe3-2xO4(Co,Fe摩尔比1:1)MnO20.181750.051710.061490.076160.132640.017360.085530.020556.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CuCl2﹒6H2O和FeCl3﹒6H2O时的误差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。