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燃料是人類社會生存的基礎，人類經歷了植物燃料階段之後，現處於化石燃料階段。隨著化石燃料耗量的日益增加和儲量的日益減少，全球已產生環境污染、氣候異常和能源短缺三大問題。因此減少環境污染，提高能源的利用率已成為當今社會急需解決的重大問題之一。燃料電池就是這樣一種高效綠色的能源技術。
燃料電池是一種不經過燃燒直接以電化學方式將化學能轉變為電能的高效發電裝置。它不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高，環境污染小，被認為是21世紀首選的清潔、高效的發電技術。正是由於這些突出的優越性，燃料電池的開發和研究受到人們的廣泛關注，特別是近幾年來，隨著人類對環境保護的日益關注，燃料電池在發電和汽車領域的應用已取得了重大的進展。
燃料電池是一種不經過燃燒直接以電化學方式將化學能轉變為電能的高效發電裝置。它不經過熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高，環境污染小，被認為是21世紀首選的清潔、高效的發電技術。正是由於這些突出的優越性，燃料電池的開發和研究受到人們的廣泛關注，特別是近幾年來，隨著人類對環境保護的日益關注，燃料電池在發電和汽車領域的應用已取得了重大的進展。
作者簡介
孫芳，1978年11月出生，吉林省長春市人，中共黨員，博士。2008年6月博士畢業于吉林大學物理化學專業，2008年11月至2011年5月在黑龍江大學化學博士後流動站從事科研工作，獲得博士後證書，2012年2月進入牡丹江師範學院理學院從事教學工作。
研究領域：一直從事電化學及功能納米材料方面的研究工作，包括燃料電池陽極催化劑、銅及氧化亞銅納米薄膜的製備以及無酶葡萄糖生物傳感器的研究。
科研成果：在Electroanalysis，J.Cryst.Growth，Colloid.Surface.A，Chem.Res.ChineseUniversities等學術期刊上發表學術論文16篇，其中13篇被SCI收錄，參加國家自然科學基金項目和黑龍江省教育廳自然科學技術項目各1項。目前，主持黑龍江省教育廳自然科學技術項目1項。
研究領域：一直從事電化學及功能納米材料方面的研究工作，包括燃料電池陽極催化劑、銅及氧化亞銅納米薄膜的製備以及無酶葡萄糖生物傳感器的研究。
科研成果：在Electroanalysis，J.Cryst.Growth，Colloid.Surface.A，Chem.Res.ChineseUniversities等學術期刊上發表學術論文16篇，其中13篇被SCI收錄，參加國家自然科學基金項目和黑龍江省教育廳自然科學技術項目各1項。目前，主持黑龍江省教育廳自然科學技術項目1項。
目次
目錄
第1章
緒論.........................................................................................................
1
1.1燃料電池概述..........................................................................................
1
1.1.1燃料電池的發展歷史...................................................................
1
1.1.2燃料電池的特點...........................................................................
2
1.1.3燃料電池的分類...........................................................................
2
1.1.4燃料電池(Fuel)與電池(Battery)的區別............................
4
1.1.5燃料電池的結構和工作原理.......................................................
5
1.2質子交換膜燃料電池(PEMFC)................................................................
6
1.2.1PEMFC的研究現狀......................................................................
6
1.2.2PEMFC的主要結構......................................................................
7
1.2.3PEMFC的優缺點..........................................................................
7
1.3直接甲醇燃料電池(DMFC)的發展...................................................
8
1.3.1DMFC的研製原因........................................................................
8
1.3.2DMFC的結構和工作原理............................................................
9
1.3.3DMFC目前存在的問題及解決方法..........................................
10
1.4直接乙醇燃料電池(DEFC)的發展..................................................
12
1.4.1開發直接乙醇燃料電池的必要性.............................................
12
1.4.2三種PEMFC燃料電池的比較..................................................
12
1.4.3乙醇電催化機理研究.................................................................
13
1.4.4催化劑中毒的機理研究.............................................................
14
1.4.5DEFC陽極催化劑的研究...........................................................
15
1.5DMFC其它替代燃料的研究情況.........................................................
17
1.6直接乙醇燃料電池的主要工作方案....................................................
20
1.6.1研究方向.....................................................................................
20
1.6.2研究內容.....................................................................................
20
第2章
實驗部分...............................................................................................
21
2.1試劑與材料............................................................................................
21
2.2實驗儀器................................................................................................
21
2.3催化劑的製備........................................................................................
22
2.3.1PtC催化劑的製備......................................................................
22
2.3.2Pt-WO3C催化劑的製備.............................................................
22
2.3.3Pt-ZrO2C催化劑的製備.............................................................
22
2.4工作電極的製備.....................................................................................
23
2.4.1光滑Pt電極的製備.....................................................................
23
2.4.2PtC、Pt-WO3C及Pt-ZrO2C電極的製備...............................
23
2.4.3電極表面的活化處理.................................................................
23
2.5實驗裝置及電化學測試方法................................................................
23
2.5.1實驗裝置.....................................................................................
23
2.5.2電化學測試.................................................................................
24
2.6催化劑表徵............................................................................................
25
第3章
直接乙醇燃料電池陽極催化劑的研究...............................................
26
3.1乙醇在光滑Pt電極上的電氧化...........................................................
26
3.1.1不同濃度對乙醇電氧化的影響.................................................
26
3.1.2不同掃速乙醇溶液的循環伏安特性.........................................
26
3.1.3不同溫度對乙醇電氧化的影響.................................................
27
3.2乙醇在PtC電極上的電氧化...............................................................
28
3.2.1不同方法製備的PtC催化劑對乙醇電氧化的作用................
28
3.2.2溶液的酸度對乙醇電氧化的影響.............................................
29
3.2.3不同濃度時乙醇溶液的循環伏安特性.....................................
30
3.2.4不同掃速時乙醇溶液的循環伏安特性.....................................
30
3.2.5不同溫度時乙醇溶液的循環伏安特性.....................................
31
3.3乙醇和CO在Pt-ZrO2C電極上的電氧化..........................................
32
3.3.1乙醇在Pt-ZrO2C電極上的氧化...............................................
32
3.3.2CO在Pt-ZrO2C電極上的氧化.................................................
33
3.4乙醇和CO在Pt-WO3C電極上的電氧化..........................................
35
3.4.1乙醇在Pt-WO3C電極上的氧化...............................................
35
3.4.2酸性溶液中CO在Pt-WO3C電極上的氧化...........................
36
3.4.3中性溶液中CO在Pt-WO3C電極上的氧化...........................
37
3.4.4乙醇溶液在Pt-WO3C和PtC電極上的計時電流曲線..........
38
3.4.5PtC、Pt-ZrO2C和Pt-WO3C電極對乙醇電氧化的比較.......
38
3.4.6CO在PtC、Pt-ZrO2C和Pt-WO3C電極上的氧化...............
40
3.5電極表面活化處理對乙醇電催化氧化的作用....................................
42
3.5.1PtC電極表面活化前後對乙醇的電氧化作用..........................
42
3.5.2Pt-WO3C電極表面活化前後對乙醇的電氧化作用.................
47
3.5.3Pt-ZrO2C電極表面活化前後對乙醇的電氧化作用.................
48
3.6電極表面活化處理對CO電催化氧化的作用.....................................
50
3.6.1PtC電極表面活化前後對CO的電氧化作用..........................
50
3.6.2Pt-WO3C電極表面活化前後對CO的電氧化作用.................
52
3.6.3Pt-ZrO2C電極表面活化前後對CO的電氧化作用.................
54
3.7催化劑表徵............................................................................................
56
3.8本章小結................................................................................................
56
參考文獻.......................................................................................................
60
第4章
基於氧化銅薄膜的葡萄糖電催化氧化研究.......................................
71
4.1引言.........................................................................................................
71
4.1.1葡萄糖氧化反應機理.................................................................
71
4.1.2葡萄糖氧化反應催化劑的研究.................................................
71
4.2化學浴沉積製備多孔結構CuO納米片薄膜及其對葡萄糖的電催化氧化
73
4.2.1實驗部分.....................................................................................
74
4.2.2反應溫度對薄膜樣品的影響.....................................................
75
4.2.2多孔片層結構CuO薄膜電極電催化葡萄糖性能的研究........
76
4.2.3電分析應用.................................................................................
80
4.2.4小結.............................................................................................
82
4.3中空方形納米籠結構CuO薄膜及其對葡萄糖的電催化氧化研究...
83
4.3.1實驗部分.....................................................................................
83
4.3.2中空方形納米籠結構CuO薄膜樣品的表徵............................
84
4.3.3中空方形納米籠結構CuO薄膜電極電催化葡萄糖性能的研究
85
4.3.4電分析應用.................................................................................
87
4.3.5小結.............................................................................................
90
參考文獻.......................................................................................................
91
第1章
緒論.........................................................................................................
1
1.1燃料電池概述..........................................................................................
1
1.1.1燃料電池的發展歷史...................................................................
1
1.1.2燃料電池的特點...........................................................................
2
1.1.3燃料電池的分類...........................................................................
2
1.1.4燃料電池(Fuel)與電池(Battery)的區別............................
4
1.1.5燃料電池的結構和工作原理.......................................................
5
1.2質子交換膜燃料電池(PEMFC)................................................................
6
1.2.1PEMFC的研究現狀......................................................................
6
1.2.2PEMFC的主要結構......................................................................
7
1.2.3PEMFC的優缺點..........................................................................
7
1.3直接甲醇燃料電池(DMFC)的發展...................................................
8
1.3.1DMFC的研製原因........................................................................
8
1.3.2DMFC的結構和工作原理............................................................
9
1.3.3DMFC目前存在的問題及解決方法..........................................
10
1.4直接乙醇燃料電池(DEFC)的發展..................................................
12
1.4.1開發直接乙醇燃料電池的必要性.............................................
12
1.4.2三種PEMFC燃料電池的比較..................................................
12
1.4.3乙醇電催化機理研究.................................................................
13
1.4.4催化劑中毒的機理研究.............................................................
14
1.4.5DEFC陽極催化劑的研究...........................................................
15
1.5DMFC其它替代燃料的研究情況.........................................................
17
1.6直接乙醇燃料電池的主要工作方案....................................................
20
1.6.1研究方向.....................................................................................
20
1.6.2研究內容.....................................................................................
20
第2章
實驗部分...............................................................................................
21
2.1試劑與材料............................................................................................
21
2.2實驗儀器................................................................................................
21
2.3催化劑的製備........................................................................................
22
2.3.1PtC催化劑的製備......................................................................
22
2.3.2Pt-WO3C催化劑的製備.............................................................
22
2.3.3Pt-ZrO2C催化劑的製備.............................................................
22
2.4工作電極的製備.....................................................................................
23
2.4.1光滑Pt電極的製備.....................................................................
23
2.4.2PtC、Pt-WO3C及Pt-ZrO2C電極的製備...............................
23
2.4.3電極表面的活化處理.................................................................
23
2.5實驗裝置及電化學測試方法................................................................
23
2.5.1實驗裝置.....................................................................................
23
2.5.2電化學測試.................................................................................
24
2.6催化劑表徵............................................................................................
25
第3章
直接乙醇燃料電池陽極催化劑的研究...............................................
26
3.1乙醇在光滑Pt電極上的電氧化...........................................................
26
3.1.1不同濃度對乙醇電氧化的影響.................................................
26
3.1.2不同掃速乙醇溶液的循環伏安特性.........................................
26
3.1.3不同溫度對乙醇電氧化的影響.................................................
27
3.2乙醇在PtC電極上的電氧化...............................................................
28
3.2.1不同方法製備的PtC催化劑對乙醇電氧化的作用................
28
3.2.2溶液的酸度對乙醇電氧化的影響.............................................
29
3.2.3不同濃度時乙醇溶液的循環伏安特性.....................................
30
3.2.4不同掃速時乙醇溶液的循環伏安特性.....................................
30
3.2.5不同溫度時乙醇溶液的循環伏安特性.....................................
31
3.3乙醇和CO在Pt-ZrO2C電極上的電氧化..........................................
32
3.3.1乙醇在Pt-ZrO2C電極上的氧化...............................................
32
3.3.2CO在Pt-ZrO2C電極上的氧化.................................................
33
3.4乙醇和CO在Pt-WO3C電極上的電氧化..........................................
35
3.4.1乙醇在Pt-WO3C電極上的氧化...............................................
35
3.4.2酸性溶液中CO在Pt-WO3C電極上的氧化...........................
36
3.4.3中性溶液中CO在Pt-WO3C電極上的氧化...........................
37
3.4.4乙醇溶液在Pt-WO3C和PtC電極上的計時電流曲線..........
38
3.4.5PtC、Pt-ZrO2C和Pt-WO3C電極對乙醇電氧化的比較.......
38
3.4.6CO在PtC、Pt-ZrO2C和Pt-WO3C電極上的氧化...............
40
3.5電極表面活化處理對乙醇電催化氧化的作用....................................
42
3.5.1PtC電極表面活化前後對乙醇的電氧化作用..........................
42
3.5.2Pt-WO3C電極表面活化前後對乙醇的電氧化作用.................
47
3.5.3Pt-ZrO2C電極表面活化前後對乙醇的電氧化作用.................
48
3.6電極表面活化處理對CO電催化氧化的作用.....................................
50
3.6.1PtC電極表面活化前後對CO的電氧化作用..........................
50
3.6.2Pt-WO3C電極表面活化前後對CO的電氧化作用.................
52
3.6.3Pt-ZrO2C電極表面活化前後對CO的電氧化作用.................
54
3.7催化劑表徵............................................................................................
56
3.8本章小結................................................................................................
56
參考文獻.......................................................................................................
60
第4章
基於氧化銅薄膜的葡萄糖電催化氧化研究.......................................
71
4.1引言.........................................................................................................
71
4.1.1葡萄糖氧化反應機理.................................................................
71
4.1.2葡萄糖氧化反應催化劑的研究.................................................
71
4.2化學浴沉積製備多孔結構CuO納米片薄膜及其對葡萄糖的電催化氧化
73
4.2.1實驗部分.....................................................................................
74
4.2.2反應溫度對薄膜樣品的影響.....................................................
75
4.2.2多孔片層結構CuO薄膜電極電催化葡萄糖性能的研究........
76
4.2.3電分析應用.................................................................................
80
4.2.4小結.............................................................................................
82
4.3中空方形納米籠結構CuO薄膜及其對葡萄糖的電催化氧化研究...
83
4.3.1實驗部分.....................................................................................
83
4.3.2中空方形納米籠結構CuO薄膜樣品的表徵............................
84
4.3.3中空方形納米籠結構CuO薄膜電極電催化葡萄糖性能的研究
85
4.3.4電分析應用.................................................................................
87
4.3.5小結.............................................................................................
90
參考文獻.......................................................................................................
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