第十八届全国电化学大会
操作温度对直接二甲醚燃料电池中Pt及PtRu合金电催化剂表面控制步骤的影响
杜磊，陈广宇，张生，高云智，杜春雨，王振波，尹鸽平*
（哈尔滨工业大学化工学院特种化学电源研究所，黑龙江，哈尔滨，150001，E-mail:
yingphit@hit.edu.cn）
由于具有较高的电化学理论能量密度，在水中有较高溶解度，同时具有低毒性等优点，二甲醚（dimethyl ether, DME）开始作为一种有前景的阳极有机分子燃料在质子交换膜燃料电池中使用。目前对于有机分子发生电催化氧化反应的阳极，碳载铂基催化剂依旧是性能最优异的。其中PtRu合金催化剂广泛的应用于催化有机小分子的电氧化反应[1]。这主要是因为Ru是一种性能优异的助催化剂，能够产生并吸附大量的含氧官能团如OHad，极易与有机物在Pt表面电催化氧化产生的类一氧化碳中间产物发生作用，从而降低催化剂的毒化作用，这就是经典的双功能机理。Tsutsumi等[2]曾报道过采用一致的阴极催化剂和不同的阳极催化剂，在DME气体直接进料的情况下的一个反常现象：80℃下Pt/C阳极催化剂性能好于PtRu/C；100℃下Pt-Ru/C性能好于Pt/C。由于阳极进料为气相进料，电极加湿只能依靠反应自身产生的水来实现，因此作者将这一现象归结于阳极湿度的影响。
为了避免阳极湿度影响这一情况，在本研究中我们采用二甲醚的饱和水溶液，同时研究了操作温度对阳极催化剂性能的影响。并提出了控制步骤转移的假设。图1展示了部分结果。大体来看，DME的电氧化经过连续的两步：DME脱氢并形成中间产物（步骤1）；在含氧粒子的辅助下中间产物氧化（步骤2）。100℃以下，Pt/C催化剂性能好于Pt-Ru/C，是因为Pt/C催化剂可以提供更多的Pt活性位点，恰好步骤1是控制步骤，更多的活性位点意味着步骤1的转化速度更快；100℃以上时，步骤2开始转化为控制步骤，此时中间产物能否尽快脱附或氧化成为关键，根据双功能机理，Ru元素的引入能够极大的加快这一速度，因此PtRu/C催化剂显示出了比Pt/C更为优异的性能。
因此，DME在Pt电极表面的电催化氧化过程的控制步骤极有可能受温度控制，这为进一步了解DME的电氧化机理提供了借鉴。
图1不同阳极催化剂的直接二甲醚燃料电池性能随操作温度的变化，左图：温度对最大功率密
度的影响；右图：几个典型温度下的极化曲线和功率密度曲线
Fig. 1 Effects of temperature and anode catalysts on the performance of DDMEFC: general observations(Left) and typical
curves(Right).
本研究为国家863项目支持（2009AA05Z111）
参考文献：
[1]Li, Q.; Wu, G.; Johnston, C. M.; et al., ECS Transactions, 2011, 41 (1): 1969-1977.
第十八届全国电化学大会
[2]Haraguchi, T.; Tsutsumi, Y.; Takagi, H.; et al., Electr Eng Jpn, 2005, 150 (3): 19-25.
Pt and Pt-Ru Alloy Electrocatalysts for Direct Dimethyl Ether Fuel Cells: The
Effect of Operating Temperature on the Rate-determining Step
Lei Du, Guangyu Chen, Sheng Zhang, Yunzhi Gao, Chunyu Du, Zhenbo Wang, Geping Yin* （Institute of Advanced Chemical Power Sources, Harbin Institute of Technology, Heilongjiang,
Harbin,150001 E-mail: yingphit@hit.edu.cn）
