盡管直接肼燃料電池具有高電動(dòng)勢(shì)、產(chǎn)物無污染的優(yōu)勢(shì)，但燃料肼具有一定的毒性，且其致癌下限濃度為10 ppb。固態(tài)無毒的碳酰肼是肼的一種衍生物，有望替代肼作為直接碳酰肼燃料電池的燃料。
反應(yīng)式(1)-(3)為直接碳酰肼燃料電池的電極反應(yīng)式和全電池反應(yīng)式（氧氣作為氧化劑）。陽極和陰極催化劑性能的好壞是決定直接碳酰肼燃料電池性能的關(guān)鍵?？紤]到碳酰肼在鎳陽極催化劑上的起始氧化電位較高，同時(shí)碳酰肼電氧化產(chǎn)生了多種氣態(tài)產(chǎn)物，本論文制備了一種自支撐核殼結(jié)構(gòu)的Pd-Ni@Ni納米線陣列電極作為直接碳酰肼燃料電池的陽極。其制備流程如圖1所示。
圖1. 自支撐核殼結(jié)構(gòu)的Pd-Ni@Ni納米線陣列電極的制備流程圖 作者首先比較了Pd-Ni@Ni納米線陣列電極、商業(yè)泡沫鎳和鎳片電極的催化性能。結(jié)果表明，三種鎳電極的Pd載量?jī)H有2.7~5.3 mg cm–2，卻能夠使碳酰肼電氧化的起始氧化電位負(fù)移了約320 mV，穩(wěn)態(tài)電流密度由8.7~127.0 mA cm–2提升至60.5~158.5 mA cm–2（極化電位為1.42 V vs. RHE）。而且，Pd-Ni@Ni納米線陣列電極因其形貌的優(yōu)越性，不僅擁有最多的Pd活性位點(diǎn)，還具有最佳的穩(wěn)態(tài)催化性能。 綜合本論文和已有文獻(xiàn)的研究結(jié)果，作者提出了Pd-Ni二元電極上碳酰肼電氧化的反應(yīng)機(jī)理。如圖2所示，除了碳酰肼的直接電氧化反應(yīng)外，碳酰肼易在Pd-Ni二元電極上發(fā)生水解，生成肼和二氧化碳；肼進(jìn)一步地發(fā)生直接電氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)。肼的水解產(chǎn)物包含氮?dú)狻睔夂蜌錃?。其中，由于氨氣電氧化無法在Pd-Ni電極上發(fā)生，所以肼水解生成氨氣的反應(yīng)會(huì)降低碳酰肼電氧化反應(yīng)的電流效率。 圖2. Pd-Ni二元催化劑上碳酰肼電氧化機(jī)理 除了以上結(jié)論外，本論文還發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度大于或等于313 K時(shí)，碳酰肼電氧化電流密度發(fā)生急劇下降，同時(shí)組裝的直接碳酰肼-過氧化氫燃料電池的產(chǎn)電性能也開始惡化。這意味著Pd-Ni二元催化劑不適宜在313 K或以上的溫度下使用。 論文信息 Self-Supporting and Shell-Core Pd?Ni@Ni Nanowire Arrays Electrode as Anode of Direct Carbohydrazide Fuel Cell Chao Peng, Shuai Hou, Prof. Lan Yuan, Prof. Yi Liu, Prof. Fen Guo ChemElectroChem DOI: 10.1002/celc.202201007
