直接过氧化氢燃料电池纸基阳极材料的可控构筑及电催化机理研究

Hydrogen peroxide (H2O2) can be both a fuel and an oxidizer for the fabrication of a novel environment friendly direct H2O2-H2O2 fuel cell (DPPFC). The preparation of electrode material for DPPFC is challenging and the H2O2 electrochemical reaction mechanism still needs to be studied. In this project, a piece of paper is modified by carbon material to form a flexible conductive support by a simple coating process, followed by the controllable construction of transition metal complex on the surface of the as-prepared conductive support using an electrodeposition method, obtaining a three-demensional (3D) flexible binder-free anode with high catalytic activity and stability towards the electro-oxidation of H2O2, and then the influence laws of the preparation conditions on electrode structure during construction process of the electrode material is explored, pointing out a new direction for the design of electrode of flexible DPPFC; the H2O2 electro-oxidation reaction mechanism on the surface of the as-prepared anode will be discussed in depth, the inherent relations of the H2O2 electro-oxidation behavior and the structure and constituent of the as-prepared anode will be clarified, the reaction mechanism model will be constructed, making a breakthrough on the electrochemical reaction theory of the H2O2 oxidation. Then, a novel flexible DPPFC will be assembled using the as-prepared material as anode and carbon fiber cloth supported noble metal (The previous work) as cathode.

过氧化氢（H2O2）可同时作为燃料及氧化剂用于装配新型环保的直接H2O2-H2O2燃料电池（DPPFC）。DPPFC电极材料的制备尚存挑战，H2O2电化学反应机理有待研究。本项目通过简单的涂覆过程，使用碳材料对纸进行表面修饰制备柔性导电支撑体，进而采用电沉积法在其表面可控构筑过渡金属复合物用于催化H2O2的电氧化反应，获得具有高催化活性和稳定性的三维（3D）柔性无粘结剂阳极材料，探索电极构筑过程中制备条件对电极结构的影响规律，为柔性DPPFC电极的设计指出一个新的方向；并深入研究H2O2在所制备阳极表面的电氧化反应机理，揭示H2O2电氧化行为与电极结构，电极成分之间的内在联系，构建反应机理模型，在H2O2电氧化反应理论的研究上取得突破。进而，以所制备材料为阳极，碳布支撑的贵金属（前期工作成果）为阴极，组装新型柔性DPPFC。

纸基电极材料吸引了诸多科研工作者的关注，纸支撑的过渡金属复合材料的构筑及其对过氧化氢（H2O2）电氧化催化行为的研究对于燃料电池领域的研究具有一定的指导意义。本项目通过简单的“铅笔涂覆”过程在滤纸表面附着一层导电石墨，获得导电纸支撑体（Fiter Paper-Graphite，FG），进而通过电化学沉积及草酸刻蚀等过程在其表面负载过渡金属Co、Ni及其复合物，用于催化H2O2的电氧化。并研究了电极材料制备条件，电化学测试条件等对所制备电极电催化反应的影响规律，对其电极材料结构构筑机理及电化学反应机理进行了研究。结果表明，所制备FG可作为导电支撑体有效负载过渡金属Co单质（FG@Co）、Ni单质（FG@Ni）及Co-Ni复合物（FG@Co-Ni、FG@Co-CoC2O4、FG@Co-CoC2O4-Ni）等材料。在电沉积过程中由于在高电位下生成了大量的氢气（H2）作为模板，使所制备材料具有特殊的三维（Three-dimensional，3D）多孔结构。所制备FG@Co-CoC2O4-Ni电极由于反应过程中其内部各成分间的协同效应及其特殊的3D结构，使其展现了最优的H2O2电氧化催化活性。当溶液中含有1 moldm-3 NaOH和0.1 moldm-3 H2O2，电位为0.6 V时，其氧化电流密度达到173.4 mAcm-2，远高于FG@Co-CoC2O4（110.1 mAcm-2）、FG@Co-Ni（93.0 mAcm-2）、FG@Co（63.6 mAcm-2）、FG@Ni（27.1 mAcm-2）等电极及FG（1.3 mAcm-2）支撑体。碳纸具有3D多孔结构和良好的导电性，是一种很有潜力的电极支撑体材料。本项目在碳纸表面通过“电沉积”和“去合金”过程负载了多孔Ni-SiO2复合材料，其展现了比单纯的Ni更高的电氧化催化活性。此外，本项目制备了泡沫铜负载的过渡金属Ni、Co及其复合物，用于催化H2O2的电氧化，所制备Ni-Co复合物由于各物质间的协同效应及3D结构，展现了更高的性能。本项目研究内容为H2O2电氧化催化反应新型电极材料的设计及电氧化反应特性的研究指出了新的方向。