甲醇的电化学催化氧化_精品文档.docx
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《应用化学综合实验》（项目化）电化学能源实验指导书
课程代码：
0703525008 开课学期：
第6学期 开课专业：
应用化学
实验学时：
16学时 总学分/实验学分：
0.5学分
综合实验室（实验中心）名称：
生化实验中心二级实验室名称：
应用化学专业实验室
一、课程简介
《应用化学综合实验》电化学能源实验是化学专业比较新的的一门重要专业综合实验课。
本课程是根据甲醇燃料电池的相关理论与技术而展开的。
学生需具有基本的有机化学、无机化学、电化学等方面的基础知识。
通过本实验的学习，能够是学生了解最基本的甲醇燃料电池的工作原理和核心技术；能够使学生对能源及电化学能源具有初步的认识；能够为学生在将来从事相关工作打下基础。
二、实验的地位、作用和目的
通过此课程的学习，对电化学能源知识具有初步的了解，掌握基本的电化学技术。
三、实验方式与基本要求
实验方式以设计实验为主，从基础理论、材料准备、装置、数据的采集与分析等方面进行自主设计并进行实验。
１、掌握甲醇燃料电池的工作原理。
２、掌握评价甲醇燃料电池性能好坏的方法。
３、能从实验中发现更多的电化学能源相关的技术与理论。
四、报告与考核
设计实验报告和实验报告结果讨论等内容。
考核：
1、设计实验的设计思路和方法40%。
2、实验操作和实验结果30%。
3、实验报告和讨论分析30%
五、设备及器材材料配置
序号
实验仪器、设备
数量与型号
序号
实验仪器、设备
数量与型号
1
电化学工作站
4
6
甲醇
1升
2
电化学反应池
4
7
氢氧化钾
500克
3
银-氯化银
参比电极
4
8
硫酸
1升
4
铂对电极
4
9
氯铂酸
1克
5
电极夹
3
10
泡沫镍
1米
六、实验指导书及主要参考书
1、陆天虹. 能源电化学，化学工业出版社，2014.11
2.哈曼.电化学，化学工业出版社，2010.01
项目简介和设计要求
随着全球对新能源的需求，燃料电池被广泛研究。
甲醇燃料电池是燃料电池中的一种。
使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。
甲醇燃料电池具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。
这使得甲醇燃料电池可能成为未来便携式电子产品应用的主流。
本项目针对甲醇燃料电池的核心化学原理，也就是甲醇的催化氧化，来认识、了解燃料电池化学能源的原理。
学习全面的电化学测试、表征和数据处理技术。
设计要求：
（1）学会文献查阅和资料整理。
（2）学会如何参考文献设计实验方案，主要包括原理、实验具体操作步骤、电化学基本实验技术、数据的分析、评价和处理。
甲醇的电化学催化氧化实验指导书
一、目的要求：
1.掌握甲醇的电催化氧化机理和应用价值
2.掌握基本的电化学能源实验原理和技术
3.理解电化学催化的基本原理
二、实验原理：
甲醇燃料电池是直接利用甲醇水溶液为燃料，氧或空气作为氧化剂的一种新型燃料电池。
由于甲醇在室温下为液态，具有很高的能量密度，并且价格便宜，可以直接从石油、天然气、煤等原料中获得，在燃料获取中能量损耗少，系统效率高。
甲醇燃料电池的核心是甲醇在催化剂作用下的电催化氧化。
在酸性条件下，以金属铂等贵金属为催化剂，能够获得比较稳定的能量输出和电池性能。
然而，贵金属的使用使得甲醇燃料电池的成本很高。
在碱性条件下，非贵金属可用作催化剂，并且具有较好的催化氧化甲醇的能力。
本实验要求用大表面金属泡沫镍为催化剂设计在碱性条件下的实验。
同时，通过利用化学置换反应制铂催化剂，对两种不同条件下的甲醇电化学氧化结果进行对比。
在碱性条件下催化反应原理：
总反应式：
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
正极：
O2+4e+2H2O→4OH-
负极：
CH3OH-6e+8OH-→CO32-+6H2O
而在酸性条件下，
总反应式：
2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O
正极：
O2+4e+4H+→2H2O
负极：
CH3OH-6e+H2O→6H++CO2
三、实验原料和试剂：
泡沫镍，硫酸，氢氧化钾，氯化钠，氯铂酸。
四、实验步骤：
1.甲醇在非贵金属镍催化剂下的电催化氧化
1.1碱性条件
1.1.1泡沫镍预处理：
将4条泡沫镍放在0.25M硫酸，0.05M氯化钠溶液中超声20分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，将处理过的泡沫镍保存在蒸馏水水中。
其中1条泡沫镍放置在0.25M硫酸，0.05M氯化钠溶液中腐蚀6个小时，然后清洗备用。
1.1.2电解液为1MKOH，0.5M甲醇。
将2mL电解液放置于电解池中，分别插入1条泡沫镍做工作电极、Pt对电极和Ag/AgCl参比电极。
循环伏安法条件为：
起始电位为0V，终止电位为1.2V，扫描速率为10（3圈），20（3圈），50（5圈）,100（5圈）mV/s。
利用循环伏安法确定甲醇的氧化电位时需与不含甲醇的电解液做对比进行观察（做20mV/s扫速的就可以）。
1.1.3在恒电位0.4,0.5，0.6V下，运行时间设定为600s。
对获得的I-t曲线进行对比观察，了解催化过程的变化。
并了解电流变化的原因。
1.1.4通过改变甲醇的浓度（0，0.1M，0.5M，1M），利用循环伏安法来观察浓度与峰电流输出的关系（20mV/s扫速下进行实验即可）。
为什么这样变化？
1.1.5利用化学腐蚀方法来改变泡沫镍的表面积（1.1.1中腐蚀的泡沫镍），然后利用循环伏安法和同步电流法比较催化剂腐蚀前后的催化电流变化。
（注意实验时保持插入深度一致）
2.甲醇在贵金属铂催化剂下的电催化氧化
铂电极的制备是通过化学置换反应得到的。
利用氯铂酸和镍的自发置换反应来制备铂电极。
制备条件为：
泡沫镍条放入3mL3mM氯铂酸溶液中置换15h。
2.1碱性条件
电解液为1MKOH。
甲醇浓度为0.5M。
利用循环伏安法确定甲醇的氧化电位。
在恒电位下，通过观察电流随时间的变化得到催化过程的变化规律。
通过改变甲醇的浓度来观察浓度与电流输出的关系。
2.2酸性条件
电解液为0.1M硫酸。
甲醇浓度1M。
利用以上描述的电化学方法进行实验观察。
五、数据收集及处理
根据要求，将实验获得的数据进行系统化处理，自行设计撰写实验报告。
所有数据要从软件导出为.txt文件，自行用Excel软件绘图，横、纵坐标名称及单位要标记明确。
图1:
1.1.2中不同扫速下的CV图对比；
图2：
1.1.2不含甲醇和含有甲醇的CV图对比；
图3:
1.1.3中不同恒定电位下的I-t图对比；
图4：
1.1.4不同甲醇浓度下的CV图对比；
图5：
1.1.5泡沫镍腐蚀前后的CV图和I-t对比；
图7：
2.1中Pt电极在KOH条件下的CV图与相同条件下的Ni电极的CV图对比；；
图8：
2.1中Pt电极在KOH条件下的I-t图与相同条件下的Ni电极的I-t图对比；
图9：
2.2中Pt电极在H2SO4条件下的CV图；
图10：
2.2中Pt电极在H2SO4条件下的I-t图。
六、注意事项：
1.注意电极的连接要正确。
实验工程中三电极不能相互碰触。
2.参比电极使用后要放回原储藏瓶。
七、思考题
1.酸性和碱性条件对甲醇催化氧化各有哪些优缺点？
2.如何提高甲醇催化氧化的效率？
3.催化剂起什么作用？
催化剂优化的方向是什么？
4.化学腐蚀的基本原理是什么？
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