直接甲醇燃料電池耐甲醇氧還原電催化劑的研究概述

首先介紹了釩鈦催化劑催化氧化SO₂的反應(yīng)機(jī)理及其研究進(jìn)展，隨后綜述了影響SO₂氧化率的主要因素，主要包括催化劑中V₂O₅含量、催化助劑、飛灰、壁厚及煙氣成分、反應(yīng)溫度等，并詳細(xì)地分析了各因素對(duì)SO₂氧化率的影響特性。在此基礎(chǔ)上，綜述了控制SCR催化劑SO₂氧化率的方法。最后指出SO₂氧化率控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)低SO₂氧化率脫硝催化劑的開(kāi)發(fā)、失活催化劑的再生以及廢棄催化劑的回用等均有著重要意義。

氧化率催化劑V2O5含量對(duì)SO2氧化率的影響

V₂O₅對(duì)釩鈦催化劑的SCR反應(yīng)和SO₂氧化反應(yīng)均具有強(qiáng)烈的催化作用，且上述兩個(gè)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率均與V₂O₅含量密切相關(guān)。研究表明，隨著V₂O₅含量的增加，兩個(gè)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率均增加，但是SO₂/SO₃轉(zhuǎn)化率的增速更快，這是因?yàn)镾O₂的氧化率與催化劑的氧化性密切相關(guān)。V₂O₅晶體是工業(yè)制備硫酸所用催化劑的主要活性物質(zhì)，所以隨著V₂O₅含量的增加，催化劑的氧化性不斷增強(qiáng)，使得SO₂的氧化率不斷提高。由此可知，可以通過(guò)適當(dāng)降低V₂O₅含量的方式來(lái)控制SO₂氧化率，但這要以犧牲部分脫硝效率為代價(jià)，所以單純減少V₂O₅含量并不是控制SO₂氧化率的最優(yōu)路徑。

氧化率催化助劑對(duì) SO2 氧化率的影響

商業(yè)SCR脫硝催化劑的主要成分為V₂O₅活性組分和TiO₂載體，此外為了優(yōu)化催化劑的某些性能，還需要摻雜特定的金屬氧化物作為催化助劑，其中最常見(jiàn)的催化助劑為WO₃和MoO₃，這些催化助劑的存在對(duì)SO₂氧化率有著一定的影響。

一般而言，WO₃的摻雜主要是為了提高催化劑的熱穩(wěn)定性和表面酸性。值得注意的是，SAZONOVA等的研究表明WO₃的摻雜還能有效降低催化劑的SO₂氧化率，提高其抗硫性能。然而，DUNN等的研究取得了與之相反的結(jié)果，認(rèn)為WO₃的摻雜會(huì)使催化劑的SO₂氧化率提高，MORIKAWA等也獲得了相似的研究結(jié)果。與WO₃的作用相似，MoO₃的摻雜也是為了提高催化劑的熱穩(wěn)定性和表面酸性，另外還能增強(qiáng)催化劑的抗As中毒能力。KWON等發(fā)現(xiàn)MoO₃的摻雜還能夠抑制SO₂與V=O鍵的反應(yīng)，進(jìn)而減弱SO₂在催化劑表面的吸附，且研究還發(fā)現(xiàn)催化劑中Mo⁶ /Mo⁵ 比值越高，抗硫性能就越好。

雖然WO₃對(duì)SO₂氧化率的具體作用存在爭(zhēng)議，但催化助劑對(duì)SO₂氧化率會(huì)產(chǎn)生影響已毋庸置疑，這為改善催化劑的抗硫性能提供了一種可能的方法，即通過(guò)引入特定的物質(zhì)來(lái)抑制SO₂的氧化。

氧化率催化劑壁厚對(duì)SO2氧化率的影響

商業(yè)SCR催化劑有蜂窩式、平板式和波紋板式等型式，不同型式的催化劑的壁厚有所不同，一般而言，催化劑壁越薄，SO₂氧化率越低，但對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能也會(huì)越差。因此，在進(jìn)行催化劑成型時(shí)，應(yīng)綜合考慮力學(xué)性能和 SO₂氧化率之間的關(guān)系。

探索研究抗CO中毒、催化甲醇電化學(xué)氧化活性高、成本相對(duì)低廉的直接甲醇燃料電池（DMFC）陽(yáng)極新型納米電催化劑。探討新型電催化劑的組成-制備-結(jié)構(gòu)-性能-機(jī)理間的關(guān)系，特別研究電催化劑的結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)（如幾何構(gòu)型和電子狀態(tài)等）對(duì)抗CO中毒及催化甲醇電化學(xué)氧化性能的影響，從而闡明反應(yīng)物在催化劑上形成吸附鍵的強(qiáng)弱、作用機(jī)制及催化動(dòng)力學(xué)性能。目的是為獲得高效、長(zhǎng)壽命、廉價(jià)的DMFC陽(yáng)極新型納米電催化劑提供理 2100433B

直接甲醇燃料電池的工作原理與質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理基本相同。不同之處在于直接甲醇燃料電池的燃料為甲醇(氣態(tài)或液態(tài))，氧化劑仍為空氣和純氧。直接甲醇燃料電池的工作原理如圖1《DMFC原理圖》所示。其陽(yáng)極和陰極催化劑分別為Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其電極反應(yīng)為

陽(yáng)極：CH₃OH H₂O→CO₂ 6H 6e^-

陰極：1.5O₂ 6e^- 6H →3H₂O

電池的總反應(yīng)為CH₃OH 1.5O₂→2H₂O CO₂

通過(guò)熱力學(xué)關(guān)系和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，可得到DMFC在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論開(kāi)路電壓(可逆電動(dòng)勢(shì))為：

E₀=-△G₀/nF=-(-702450)/(6×96500)=1.213V

對(duì)于DMFC理論轉(zhuǎn)換效率，由熱力學(xué)數(shù)據(jù)可得η=△G÷△H=-702450÷(-26550)=96.68%

實(shí)際上由于電池內(nèi)阻的存在和電極工作時(shí)極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是甲醇有較高的氧化過(guò)電位，使得電池實(shí)際效率和比能量大大降低。