硝酸正丁胺离子液体中钯对甲酸电氧化反应的催化行为

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近年来,随着科技和工业的发展,煤、石油等不可再生资源的储量日趋减少,造成的环境污染问题也亟待解决,为了减少环境的污染和能源的枯竭问题,越来越多的科研工作者开始研究开发新的绿色、高效能源。燃料电池作为一种新型的绿色能源已经得到广泛的关注和研究,并且在生活和生产中已得到初步应用。由于甲酸无毒、易存储且室温不可燃等特点,以甲酸为燃料的直接甲酸燃料电池(DFAFC)被认为是最有前景的可利用便携能源,应用于一些通信设备和电脑中。由于甲酸的独特物理化学性质,有关甲酸电氧化反应性能的研究多是在酸性介质中进行,但这对催化剂的稳定性、容器的耐蚀性等都提出了严峻的挑战。近年来,离子液体作为一种新型的溶液已受到研究者的广泛关注。由于离子液体具有导电性、难挥发、不燃烧、电化学窗口比其它电解质水溶液宽很多等特点,被广泛用于化学研究的各个领域中。本论文利用传统酸碱中和法制备了硝酸正丁胺离子液体,以此作为甲酸氧化反应的电解质,考察了离子液体水溶液中钯对甲酸电氧化反应的催化性能,并对不同溶液pH值、反应温度等因素的影响进行了讨论,具体结果如下:1、采用电沉积法在玻碳电极表面制备了钯催化剂,表征结果显示,Pd为多孔团簇结构,这种结构有助于提高Pd原子的利用率。在离子液体介质中,Pd对甲酸氧化具有明显的催化活性,在离子液体中甲酸氧化的峰电位比在硫酸介质中负移了近200mV,但其峰电流只有硫酸中的五分之一左右。2、在实验中为了解决甲酸氧化峰电流不高的问题,通过在离子液体中加入水这种分子溶剂,使得离子液体黏度降低、电导率增大,成功的解决了甲酸氧化峰电流低的问题。而且实验发现,Pd对甲酸氧化的催化活性与离子液体的浓度密切相关,当离子液体与水的体积比为1:1时,Pd对甲酸氧化呈现最高的催化活性,这可能与该浓度下离子液体水溶液具有最高的电导率有关。3、将电沉积方法得到的钯催化剂分别在离子液体水溶液、硫酸溶液、高氯酸溶液、不同pH的磷酸缓冲溶液中考察对甲酸的催化性能影响。在离子液体水溶液中,钯催化甲酸氧化的峰电位要比在高氯酸溶液中负移165mV,比硫酸溶液中负移了156mV,比具有相同pH值的磷酸缓冲液(pH=7)中负移了270mV,表明离子液体水溶液中的高催化活性并非仅与pH值有关。4、考察了温度对钯催化甲酸氧化性能的影响,通过Arrhenius公式计算得到的活化能,结果发现,在离子液体水溶液中钯催化甲酸氧化反应的活化能比其他几种电解质溶液中的反应活化能要低,而且甲酸氧化以直接途径为主,这可能是离子液体水溶液中Pd对甲酸氧化具有高催化活性的原因。
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