K系和Na系常规碱溶液中氧气的电化学还原(ORR)机理研究 ——九月份工汇报 报告人:彭中

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K系和Na系常规碱溶液中氧气的电化学还原(ORR)机理研究 ——九月份工汇报 报告人:彭中

报告内容 实验部分 实验结果及分析部分 1.碱性条件下ORR 2.碱浓度对ORR的影响 3.碱金属阳离子对ORR的影响 后期工作计划

实验过程 1、本次实验所使用的主要试剂和仪器有:NaOH(分析纯)、KOH(分析纯)、Pt丝电极(工作电极)、Pt片电极(对电极)、饱和甘汞汞电极、超纯水、试验用的高纯N2和O2、电化学工作站、恒温水浴、分析天平。 电化学工作站 实验装置图 2、实验内容 首先配制碱溶液并通入O2或N215-20min,恒温在30oC。WE和CE的处理是先用高纯水超声3-5min然后用无水乙醇和高纯水淋洗。最后连接实验装置,在100mV/S和0.7 -- -1.1V条件下进行实验。

图1. Pt电极在NaOH溶液(N2)的循环伏安图(a)0.5M;(b)8M,303k,100mV/s 实验结果及分析部分 3.1碱性条件ORR Pt电极在碱性溶液中的背景反应 图1. Pt电极在NaOH溶液(N2)的循环伏安图(a)0.5M;(b)8M,303k,100mV/s PtO+H2O+2e- Pt+2OH-

图2. 0.5 MNaOH溶液中Pt电极上CV图,300K,100mV/s 实验结果及分析部分 当向溶液中通入O2后 图2. 0.5 MNaOH溶液中Pt电极上CV图,300K,100mV/s 由于O2的通入,CV图整体负移,但在-0.37V处较其他地方明显大,此处即为O2还原发生处。其对应的氧化峰出现在-0.12V,且非常弱,故此反应为一个准可逆反应。 对应的氧化峰 O2还原

图3. 不同浓度NaOH溶液中Pt电极上ORR的CV图,(a)0.1M(b)1M(c)2M(d)4M 实验结果及分析部分 碱浓度对ORR的影响 图3. 不同浓度NaOH溶液中Pt电极上ORR的CV图,(a)0.1M(b)1M(c)2M(d)4M 现象:峰电流随着浓度的增大而迅速减小。 结论:说明碱浓度对ORR动力学有很大的影响(Co2,Do2, η) 现象:峰电位随着浓度增大而逐渐负移。 结论:说明碱浓度对反应热力学也有影响,浓度越大反应越难发生。

实验结果及分析部分 动力学影响 NaOH浓度的增加导致O2溶解度、粘度和扩散系数的改变 30℃O2在NaOH溶液中的溶解度图 NaOH溶液浓度 ,O2溶解度 、η增加、Do2降低。这三个原因导致ORR动力学受到抑制。

实验结果及分析部分 热力学影响 现象:峰电势有0.1M的-0.351V负移到10M的-0.431V。 ORR峰电势与浓度的关系曲线 (2) 高碱条件 分析:低碱条件下发生连续的2电子反应;高碱条件下发生单电子转移反应。随着见浓度增加,(1)的正向受到抑制,使得反应(2)占优。故介质浓度对ORR热力学有一定的影响。

实验结果及分析部分 碱金属阳离子对ORR的影响 通过对KOH溶液的系列浓度中Pt电极上ORR循环伏安实验的研究得出了与NaOH溶液相同的规律。但两者之间也有也一定的差异。其主要表现为: 1M不同碱溶液中Pt电极上ORR的CV图,300K,100mV/s 差异:相同浓度下,KOH溶液中ORR峰电势为-0.4065V,NaOH溶液中为-0.4118V;而峰电流则相差更明显,钾系为600uA,钠系为477uA。显然,无论是热力学还是动力学KOH体系都有利于ORR发生。

实验结果及分析部分 两者的差异主要是因为K+比Na+半径大,表面电荷密度低,水合作用弱,相应的盐析效应小,所以O2在KOH溶液中溶解度大。此外,相同浓度下KOH溶液的粘度较NaOH溶液小,氧气的扩散系数则较大。

后期工作计划 1.改变反应条件 2.改善反应装置 增加电化学池的密闭性和耐压性,提高O2的溶解度,放大测量信号。 增加浓度 提高温度 更接近亚熔盐

谢谢大家!