研究
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发展和电化学表征Al2O3-ZnO复合电催化材料合成乙醇电氧化的能量

*通信:

Subir保罗Jadavpur大学冶金与材料工程系加尔各答,印度,电子邮件: (电子邮件保护)

文摘

能量通过环境友好的合成过程中,需要使用可再生燃料可持续发展。乙醇可以由热解发酵的水果、蔬菜和农业浪费是一种可再生燃料对清洁能源在未来。而化学氧化燃料生产能源通过一系列步骤转换的化学能源热能、机械能、电能;相同的电化学氧化燃料在一个电催化阳极表面产生电能源更高的效率和没有污染物质。便宜的高精力充沛的电催化材料的发展将会提出这个问题能源技术路线。目前的调查试图开发ZnO-Al2O3组合电催化材料乙醇电氧化催化地解决电能。材料已经被电沉积技术,合成控制沉积参数如电解质化学和应用沉积电流产生一个高精力充沛的3 d最优电流,因此衬底能源交付。材料的特点是循环伏安法(CV)、测时法(CA), Potentiodynamic极化(PP)和电化学阻抗光谱学(EIS)。的组成形态的组合进行了分析通过XRD和SEM研究了三维结构。发现材料的电催化性质强烈影响沉积电流和沉淀离子的浓度。最好的材料电催化性质可以产生超过250毫安的电流超过1厘米2电极表面积的电氧化乙醇。

关键字

复合氧化物电极;电催化;燃料细胞;乙醇;伏安法;阻抗;x射线衍射;扫描电镜;电池电流

介绍

的需求能源的进展而增加的生活方式、自动化、计算和高科技城市的出现。这就增加了燃烧化石燃料为能源由传统的路线,会产生大量的污染气体导致全球污染增加。应对这种情况,能源通过替代合成路线,使用可再生能源能源资源的需要。生物质和生物质衍生燃料的好资源能源合成(1- - - - - -4),通过电化学氧化发送电子清洁技术能源没有污染的新兴气体。乙醇可以从水果和生产农业浪费(1,3)是一个很好的绿色可再生燃料。乙醇在电催化的电化学氧化阳极表面产生12个电子电流的形式如下图所示。

阳极反应:CH₃CH₂哦+ 3 h₂O→2公司₂+ 12 h⁺e + 12^{- - - - - -}(Ea = 0.084 vvs她)(1)

阴极反应:3 o₂+ 12 h⁺e + 12^{- - - - - -}。→3 h₂O (Ec = 1.229 vversus她)(2)

总反应:CH₃CH₂哦+ 3 o₂→2公司₂+ 3 h₂O (E细胞= 1.145 V) (3)

的理论能源ΔG产生从一个摩尔的乙醇可以计算如下。

ΔG = nFE = 12 X 23061 X 1.145 = 316.86千卡= 368.26瓦特小时

(n =没有电子,F =法拉第常数的卡路里/伏,E =细胞潜在的)

这是一个很好的能源。一个100瓦的灯泡可以发光了三个半小时从一个摩尔的乙醇燃料细胞。

为能源转换的燃料细胞,电极在高电催化属性是需要开发的。铂已经称为electro-catalytic的好材料燃料手机应用程序,但由于它的高成本,基于发布,需要廉价的电极合成纯替代能源在一个经济可行的成本。进行了大量的研究开发廉价的金属、合金和氧化物,electrocatalytic在电池和材料燃料细胞对未来能源合成和储存(5- - - - - -12]。在金属系统基于镍合金(9,10,13,14)显示为未来前途的材料能源材料低温度燃料细胞在汽车和汽车。

氧化物,汇总5- - - - - -7,15- - - - - -17)被发现酒精作为良好的电催化阳极材料的基础燃料细胞。修改汇总与碳,进一步增强剂的电催化性质。碳,作为良好的导电电极材料被发现是非常有效的。添加碳在微观和纳米尺寸的金属合金和氧化物材料被发现以提高其催化活性(6,18]。碳布或石墨纸、浸渍用金纳米粒子被发现生产优良的电催化性能在碱性介质(葡萄糖氧化18]。历史上锌和铝用作电池电极由于其高导电性以便宜的价格和可用性。锌的氧化物,氧化锌n型半导体,有能力接受或释放电子。虽然艾尔₂O₃是一种耐火氧化物,晶格缺陷和电子引入可以传授电导率。一个复合的ZnO-Al₂O₃电产生的氧化物化学沉积被发现(8)作为很好的电极材料的电氧化甲醇。

在目前的调查,ZnO-Al₂O₃复合电沉积技术,合成了不同沉积电流和沉淀离子的浓度控制氧化缺陷结构,以生产高活力的电催化材料。ZnO-Al电化学特征的材料₂O₃由循环伏安法(CV)、Chronoammetry (CA), Potentiodynamic极化(PP)和电化学阻抗光谱学(EIS)。复合的成分进行了分析通过XRD和三维结构的形态学研究了扫描电镜。

实验方法

预处理

铝表面的样品(3厘米X 1厘米)由以下顺序步骤:金刚砂抛光的论文,由丙酮脱脂。电抛光的高氯酸溶液和乙醇洗双蒸馏水浸泡在12.6%的氢氧化钠为表面活性3分钟,在双蒸馏水冲洗,最后在热空气干燥。

电合成的₂O₃氧化锌

氧化锌的合成和艾尔₂O₃复合材料是由电沉积在ZnCl电解质溶液₂+氯化钾(表1)在一个温度55°C通过恒电流电路、直流电源不同电流和溶液化学(表1)达到一个最优生产条件最好的₂O₃氧化锌,electrocatalytic材料阳极氧化的乙醇燃料。

表1。比较不同的电化学MIP的效率传感器用于对乙酰氨基酚的分析。

电化学测试

发达电催化电极,₂O₃氧化锌,乙醇溶液中电化学特征(1妇幼保健₃CH₂哦,+ 1 m KOH),通过研究循环伏安法(CV)、计时电流法(CA), Potentiodynamic极化(PP)和电化学阻抗光谱学(EIS),在三电极体系电化学电池,以样品作为工作电极,石墨棒对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,稳压器,AMETEK Versa统计3:模型- 500和EIS GAMRY仪器。

简历可能是扫描1 v v与南加州爱迪生公司与扫描速率0.05 mV /第二找到我_马克斯(电流幅值)。CA进行了在不同的固定潜力,-0.5 v和-1.0 v之间的选择,与南加州爱迪生公司。目前我是监控作为时间的函数t,为了找到答案,多久稳态电流从细胞传递。Potentiodynamic极化(PP)进行了在同一仪器不同的软件。可能是-2.5 v和-0.5 v之间扫描的扫描速率和SCE 0.5 mV /秒。

在EIS研究中,电化电池连接到一个阻抗分析仪(EIS300由E化学分析软件)的电化学阻抗谱。电化学阻抗谱得到频率为100千赫至0.1赫兹。结果和信息从EIS实验,获得极化电阻(Rp)、电解液电阻(Rs),双层电容(Cdl),电容性负载或固定相元素(CPE, Y0)和α定义从电容阻抗方程Z = 1 / C (jw) -α。电容器在EIS实验中通常不表现理想。相反,他们像一个常数相元素(CPE Y0)。理想电容的指数α是接近1 (Cdl)。为一个常数阶段元素,Y0,指数α远小于1。

物理特性

发达电催化材料是身体通过XRD和SEM表征。的结晶结构和结晶相电极由x射线衍射特征,使用Rigaku天涯三世x射线衍射的衍射痕迹记录样本与单色铜在室温下Kα辐射、扫描速率的20个/分钟。x射线衍射的晶体飞机从内置的软件获得的x光机。镀层的表面形貌和粒度分布复合涂料由扫描电子显微镜(SEM) (JEOL-JSM 6360)。

结果和讨论

艾尔₂O₃氧化锌和氧化镍材料通过电沉积控制电解液的化学合成和电流密度。电解液的成分和不同参数的变化表1。electrocatalytic属性上面的电氧化合成复合材料将在以下部分中讨论

电的化学特性

电化学特征,即循环伏安法(CV)、Chronoammetry (CA), potentiodynamic极化(PP)进行了在1 m乙醇和1 m KOH溶液25°C。KOH加入增加乙醇溶液的导电性。

图1显示了不同的电镀简历曲线的一个分支₂O₃氧化锌在乙醇燃料细胞的解决方案。看到,峰值电流密度是根据不同电沉积条件。电解质溶液的材料电镀0.6 ZnCl₂和0.2米氯化钾55°C和125毫安的电流密度/厘米²峰值电流密度最高,给出了很好能源内容(曲线包围的面积)。而材料镀层在0.4 ZnCl的电解质溶液₂和0.2米氯化钾55°C和100毫安的电流密度/厘米²,产生电极的电催化活性大大降低。这表明沉积电流和电解液成分的影响。锌的浓度就越高^{+ +}离子和电荷密度(当前)电解液在电极表面相邻,增强材料的电催化性能。

CA在0.5 v和SCE学习上述材料在不同条件下镀层的氧化潜力所示图2。看到所有曲线达到50秒内稳态电流密度和最高的稳态电流发生同样的电镀材料,与简历中由电沉积的研究0.6 ZnCl的电解质溶液₂和0.2米氯化钾55°C和125毫安的电流密度/厘米²。

取得一个好的electrocatalytic材料₂O₃在简历和CA研究氧化锌,potentiodynamic极化(PP)研究是只对那些表现良好的镀层材料在简历和CA的调查。图3显示页的研究₂O₃ZnCl氧化锌在0.5和0.6 mol / l -解决方案₂的电流密度范围100 - 150 mA /厘米²。曲线转移到正确的材料的电催化活性高。的材料,₂O₃0.5 ZnCl生产的氧化锌₂C和100毫安的电流密度/厘米²和0.6 ZnCl₂和125毫安的电流密度/厘米²表现的更好和更少的极化电阻比别人。最大可逆电池电流出来大约10 mA /厘米²这是非常满意的,考虑到一个细胞100厘米吗²电极表面积可以交付1安培电流。

电化学阻抗研究

上述研究表明,美联₂O₃氧化锌可以使一个很好的electrocatalytic阳极材料直接乙醇燃料细胞。现在为了更好的对氧化的基本方面的理解燃料电解衬底,EIS研究。它将照亮电化学现象发生metal-electrolyte接口和计算R-L-C电路。一般来说,接口由(+ ve)电荷层和一层(负)电荷叫做双电层,产生电容或者pseudo-capacitance。此外,还有电阻负载的极化电阻(Rp),电阻(Rs)的解决方案。可能还有感应或多个电容由于涂层。现象可以解释尼奎斯特和波德图,描述和讨论以下部分为各种电涂层电催化剂材料。

EIS研究基地₂O₃氧化锌,电合成在不同条件下所示图4(奈奎斯特图)图5和6(波德图)。尼奎斯特显示半圆形的一个分支,每个代表了极化电阻的直径。半圆的直径越低,更好的电催化性能。有趣的是发现在0.6 ZnCl材料电合成₂解决方案和125毫安的电流密度/厘米²有最小极化电阻,因此高electrocatalytic材料。所以EIS调查支持的简历,CA和PP的发现。这是看到ZnCl的浓度就越高₂解决方案和当前,是极化电阻越小。高浓度溶液中有更多的锌+ +离子可以在接口和电荷密度更高的电流密度,将支持更多的成核的影响存款增长。这将产生好存款与更多的电极表面积用于充放电反应底物燃料细胞的电氧化燃料乙醇。

波德图也显示图5,类似的趋势,阻抗材料电合成更高浓度的解决方案和125毫安的电流密度/厘米²。相角与频率图(图6)表明一个电容的曲线。它遵循一个反电路(题写图6)和相角滞后-35度到-65度,表明电容不是单纯一个伪电容。所示的EIS计算参数表2。R-L-C电路,降低Rp和更高的Cp或Y0(伪电容),更多的是电流,因为由于电容电抗是电容的倒数(1/2πfC)。见过(表2),在0.6 ZnCl电合成的材料₂解决方案和125毫安的电流密度/厘米²,最低Rp和最大Cp值,这表明它是最好的乙醇电氧化的电催化材料作为电极。所以EIS结果支持简历,CA和PP研究。

表2。真正的适用性提出了商业MIP平板电脑。

XRD研究基地₂O₃氧化锌

图7显示了艾尔的XRD图₂O₃氧化锌electrocatalytic材料。它清楚地揭示了氧化锌和艾尔₂O₃。这表明铝基地electrocatalytic发达是铝的复合材料₂O₃氧化锌生产乙醇电氧化的很好的electrocatalytic效果给高电流。

扫描电子显微镜(SEM)研究

取得electrocatalytic材料的组分通过XRD研究,将会很有趣知道涂层电极扫描电子显微镜下的形态。图8显示了扫描的图像₂O₃氧化锌电催化材料在较低放大率和更高的放大倍数。是看到了电沉积₂O₃氧化锌复合分布在整个表面球形和子球状形式与渠道和国米频道。纳米通道和国米频道与微纳米颗粒增强的有效表面积充放电反应几何电极表面的许多倍。这使得巨大的电荷密度和当前的交付是非常高的。这个形态的扫描图像支持大电流获得的简历,CA和Pd研究。

艾尔机制₂O₃氧化锌电沉积

艾尔₂O₃在阴极氧化氧化锌形成由以下可能的反应。众所周知,水还原电位比,高贵的锌电沉积。减少水与氢氧根离子的形成发生如下

O₂+ 2 h₂O + 4 e - = 4啊(4)

锌₂⁺离子的电解质与氢氧根离子反应形成金属氢氧化物。这种金属氢氧化物进一步水解更稳定的形式氧化锌在温度高于35岁,27、28日。

反应如下所示:

2锌₂⁺+ 4啊- = 2锌(哦)₂(5)

2锌(哦)₂= 2氧化锌+ 2 h₂O (6)

整体反应可以写成

2锌₂⁺+ 5啊₂+ 2 e^{- - - - - -}= 2氧化锌(7)

拟议机制的形成₂O₃氧化了。在电镀的时候,铝(Al)进入解决方案通过ZnCl的关系破裂₂。艾尔₃⁺离子容易结合哦^{- - - - - -}离子形成氢氧化铝,Al (OH)₃。这个氢氧化分解₂O₃通过以下反应氧化。

2 + 3锌₂⁺= 3锌+ 2与+ (8)

艾尔₃⁺+ 3哦- = Al (OH)₃(9)

2 al (OH)₃=艾尔₂O₃+ 3 h₂O (10)

控制的₂O₃氧化锌的结构

电沉积方法影响涂层的结构和质量19。梯度涂层可以通过改变生产过程变量,如电流密度、应用潜力,化学的电解质、温度、PH值、搅拌和粒子加载在浴缸里。在这些参数中,对目前是最重要的之一,对粒子含量有很大的影响的复合涂层,因此涂层性能。

RN相对利率的成核和增长RG,决定的电镀材料的颗粒大小,因此纳米材料的结构。如果RN远远大于RG,核将形成的离子比的增长已形成原子核,引起nanodeposit。

电流密度可能是最重要的参数,定义沉积材料的质量。一旦形成,细胞核电流阴极引起局部变形的增长中心附近的电流密度分布。新的核因此将形式只在一个给定的初始距离原子核。这个结果在一个临时的电流效率下降,减少集群肤浅的表面密度和集群的增加明显。在低电流密度,形成粗存款,因为成核中心的创新速度低得多,晶体生长现有的种子。高电流密度,通常,减少离子的浓度接近沉积表面观察,如此之高的沉淀离子浓度将支持更多的成核。因此,从电化学特征研究(图1- - - - - -6electrocatalytic Al)很好₂O₃氧化锌形成更高的电流密度和沉淀离子的浓度

结论

艾尔₂O₃氧化锌复合氧化物被发现作为良好的电催化电极的电氧化乙醇燃料提供电流燃料细胞。铝结构₂O₃氧化锌复合电沉积法合成了强烈影响的沉积参数,如电流密度和电解液的化学应用的解决方案。材料生产的最佳电沉积条件是高电催化能源材料,提供高电流及能源在电氧化乙醇。

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