本发明涉及一种氧还原催化剂的质量活性测试系统及方法。
背景技术：
1、质子交换膜燃料电池作为一种能源转换装置，具有转换效率高、功率密度高、清洁无污染等特点，是一种极具发展潜力的能源利用形式。但质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应涉及多个质子和电子的转移，其阴极动力学与阳极反应相差6个数量级，缓慢的动力学过程严重阻碍了质子交换膜燃料电池商业化的发展。为解决这一问题，设计和研制使用寿命长、催化活性高的氧还原催化剂是关键。其中，质子活性作为评价氧还原催化剂的核心指标，受到了广泛关注。
2. 为测定和评价催化剂的电催化活性，通常有两个关键指标：质量活性和比活性。其中，质量活性是通过将电流密度归一化到电催化剂的贵金属负载质量而得到的，可作为评价不同电催化材料在氧还原反应等反应过程中本征性能的合理参数。质量活性很大程度上取决于电催化剂颗粒上的活性位点数量。其中，比活性是通过将电流密度归一化到电催化剂的表面积而估算的。由于表面积与表面原子数相关，而表面原子数可以代表实际的活性位点数，因此比活性可以反映催化剂的本征活性。
3、常用相应电位（如0.9V、0.85V等）下的质量活性作为测试催化剂的电化学活性。对于Pt基催化剂，一般采用电化学活性面积（ECSA）、比活性（SA）、质量活性（MA）来评价催化剂的性能。
4.
5.式中q为氢气的吸附电荷；m为工作电极上pt的质量，s为循环伏安曲线中氢气脱附区的积分面积；v为测试扫描速度；210为常数。
6.根据公式计算动能电流密度jk。
7.
8. 其中，j 是实验测得的电流密度，jl 是极限扩散电流密度。
9. 比活度的计算公式为：
10.
11.质量活度的计算公式为：
12.
13. 其中，m 为工作电极上 pt 的负载量。
14. 上述测定方法，需要经过复杂、漫长的数据处理过程，才能获得大量的活性信息，这种情况亟待解决。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决现有技术中催化剂的质量活性测定需要经过复杂、冗长的数据处理过程的技术问题，提供一种新的氧还原催化剂的质量活性测试系统及方法。本发明的方法适用于涉及电催化领域的各种电化学反应，准确度高、简便、快速。
2.目前现有技术的电化学和电催化测试中，往往需要经过复杂繁琐的数据处理过程才能确定氧还原催化剂的质量活性，耗费大量的精力和时间。本发明人通过对大量实验数据的研究发现，开路电压与质量活性之间存在一一对应的关系，质量活性高的催化剂开路电压也高，反之亦然。因此，本发明人想到将两个电化学性能参数关联起来，以节省时间并简化获得氧还原催化剂质量活性的过程。目前尚未有研究人员提出开路电压与催化剂质量活性之间的关系。
3.发明人发现，通过本发明方法得到的质量活性的相对误差在0-16.2%之间，其可靠性和准确性非常高。本领域技术人员知道，在本领域内，相对误差在16.2%以内属于高精度范围。发明人认为，基于现有的电化学数据开路电压来测试和预测催化剂的电催化活性具有重要意义。通过测量催化剂的不同开路电压，可以确定催化剂的质量活性，有助于研究人员进行进一步的研究。例如，本发明的方法可用于预测和判断氧还原催化剂的催化活性，便于快速筛选高活性催化剂，有利于后续将催化剂组装成燃料电池单体进行进一步的性能测试。
4、本发明提供一种氧还原催化剂质量活度测试系统，包括依次连接的开路电压测量模块和质量活度数据输出模块；
5、开路电压测量模块用于测量待测试的氧还原催化剂的开路电压；
6、质量活度数据输出模块，用于输出待测试氧还原催化剂的质量活度数据；其中，质量活度数据输出模块包括质量活度数据转换器，用于根据以若干个活性组分质量含量百分比相同的氧还原催化剂的开路电压为横坐标，若干个氧还原催化剂的质量活度为纵坐标的关系i，对质量活度数据进行转换；待测试氧还原催化剂的活性组分的质量含量等于关系i中氧还原催化剂的活性组分的质量含量。
7、本领域技术人员知晓，氧还原催化剂活性组分的质量含量是指活性组分的质量与氧还原催化剂总质量的比例。
8、本发明中，开路电压测量模块为本领域常规使用的可以测量氧还原催化剂开路电压的设备，例如三电极体系、电化学工作站等。
9、本领域技术人员已知，三电极体系一般包括：作为工作电极的玻碳电极，作为对电极的碳棒，作为参比电极的饱和甘汞电极，电解质溶液为高氯酸水溶液；其中，待测的氧还原催化剂在工作电极上形成薄膜，优选在玻碳电极上形成薄膜；其中，高氯酸水溶液的浓度优选为0.1mol/l，其中，高氯酸水溶液的pH优选为1。
10、工作电极优选旋转圆盘电极。本领域技术人员知道，旋转圆盘电极是指电化学研究人员为了研究电极表面电流密度的分布，减少或消除扩散层等因素的影响，通过比较各种电极和搅拌方式而开发的一种高速旋转的电极。旋转圆盘电极的端面形似圆盘。
11.其中，本领域技术人员知道，成膜材料一般为含有待测氧还原催化剂的催化剂浆料，催化剂浆料一般又包括溶液和溶剂。溶液是指全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物溶液，溶液的质量浓度可以为2～20wt％，例如5wt％或20wt％。溶液可以通过市场销售获得。在市售的溶液中，当溶液的质量浓度为5％时，其含水量一般为45％；当溶液的质量浓度为20％时，其含水量一般为34％。wt％是指溶液中的质量百分比。溶剂可以是本领域常规的，例如异丙醇和/或乙醇。催化剂浆料的状态优选为分散状态，更优选为均匀分散状态。获得分散状态的方法优选为采用超声波。
12、所述电化学工作站可以为本领域常规的电化学工作站，例如 CS350电化学工作站。
13、一般来说，测量时，开路电压测量模块启动三电极体系及电化学工作站，通过线性伏安扫描得到LSV数据图，电路中电流为0时对应的电位即为氧还原催化剂的开路电压。
14、本发明中，氧还原催化剂优选为铂基催化剂，例如铂黑催化剂、铂碳催化剂、铂锰催化剂、铂钴催化剂、铂镍催化剂、铂铁催化剂、铂铜催化剂中的一种或多种；铂基催化剂中铂的质量含量可以为5％～20％，优选为20％。质量含量是指铂基催化剂中铂的质量百分比。本领域技术人员熟知，铂基催化剂是指以金属铂为主要活性组分的催化剂。
15、在本发明中，本领域技术人员知晓，拟合的关系式i中的氧还原催化剂与待测试的氧还原催化剂中的活性组分一般只需一致即可，载体的不同不会影响测试结果。
16、本发明中，质量活度数据输出模块可以为集成质量活度数据转换输出功能的控制芯片，通过对原始电化学数据的电流密度归一化为氧还原催化剂的负载质量，得到质量活度数据。
17、在本发明中，优选的，所述关系i为：
18. y＝-.+.-.+
19，.-.+.-.；
20.其中x为铂基催化剂的开路电压，y为铂基催化剂的质量活性；铂基催化剂中铂的质量含量为20％。
21.本发明中，关系i优选通过数据拟合得到。拟合方法可以是本领域常规的，一般采用多项式拟合得到相关的多项式关系。多项式拟合方法可以是本领域常规的，一般采用软件进行拟合。数据拟合的数据一般为多组数据，至少为七组数据，例如11组数据。可以将多组数据绘制成散点图的形式。本领域技术人员知道，数据越多越好。
22.在本发明中，关系i可以用关系曲线或表格来表达。
23.本发明中，所述开路电压优选在0.85-1.1V范围内；例如0.9、0.907、0.91、0.917、0.92、0.946、0.964、0.969、0.97、0.99或0.995V。
24、本发明中，质量活度优选范围为0.002-0.4a·mg-1pt；例如：0.004、0.020、0.013、0.0035、0.035、0.084、0.087、0.120、0.290或0.320a·mg-1pt，其中a·mg-1pt为每毫克铂产生的电流。
25、本发明提供了一种氧还原催化剂质量活性的测试方法，包括以下步骤：
26.s1.建立如下公式：关系式i是以若干个氧还原催化剂的开路电压为横坐标，若干个氧还原催化剂的质量活度为纵坐标的关系。
27.s2.测量待测氧还原催化剂的开路电压，代入步骤s1中的关系i，得到待测氧还原催化剂的质量活度数据，待测氧还原催化剂活性组分的质量含量等于关系i拟合出的氧还原催化剂活性组分的质量含量。
28、步骤s1中，可以采用电化学测试方法获取开路电压，电化学测试方法可以是本领域常规的测试方法，一般包括以下步骤：
29. (1)将含有待测试的氧还原催化剂的催化剂浆料覆盖在工作电极上，形成薄膜；
30. (2)循环伏安扫描，除去催化剂表面的有机物并活化催化剂，并通入氧气；
31.（3）进行线性伏安扫描，得到LSV数据图，电路中电流为0时对应的电位即为待测氧还原催化剂的开路电压。
32、氧气流量优选为80ml/min，通氧时间优选为30min。
33.待测氧还原催化剂的质量活度测试方法是采用如上所述的质量活度测试系统，得到待测氧还原催化剂的质量活度结果。
34、本发明的积极进步效果是：
35.1.本发明的氧还原催化剂质量活度测试系统设备简单，可操作性强，能够简单、快速的获得氧还原催化剂的质量活度数据。
2.本发明氧还原催化剂的质量活性测试方法准确度高，相对误差为0-16.2%，简便快捷，不需要复杂冗长的数据处理过程即可测定催化剂的质量活性，适用于涉及电催化领域的各种电化学反应。
技术特点：
1.一种氧还原催化剂质量活度测试系统，其特征在于，包括依次连接的开路电压测量模块和质量活度数据输出模块；
2.根据权利要求1所述的氧还原催化剂质量活度测试系统，其特征在于：所述开路电压测量模块包括三电极系统和电化学工作站。
3.根据权利要求2所述的氧还原催化剂质量活性测试系统，其特征在于，所述三电极体系包括：以玻碳电极为工作电极，以碳棒为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，电解质溶液为高氯酸水溶液；待测试的氧还原催化剂在工作电极上形成薄膜；
4.根据权利要求2所述的氧还原催化剂的质量活性测试系统，其特征在于：所述开路电压测量模块测量时，启动三电极系统及电化学工作站，通过线性伏安扫描得到LSV数据图，电路中电流为0时对应的电位即为氧还原催化剂的开路电压。
5.根据权利要求1所述的氧还原催化剂质量活性测试系统，其特征在于：所述氧还原催化剂为铂基催化剂，例如铂黑催化剂、铂碳催化剂、铂锰催化剂、铂钴催化剂、铂镍催化剂、铂铁催化剂、铂铜催化剂中的一种或多种；所述铂基催化剂中铂的质量含量优选为5％～20％，更优选为20％。
6.根据权利要求1所述的氧还原催化剂质量活度测试系统，其特征在于：所述质量活度数据输出模块为集成质量活度数据转换输出功能的控制芯片；所述质量活度数据优选通过对原始电化学数据的电流密度归一化处理至氧还原催化剂的负载质量得到。
7.根据权利要求1所述的氧还原催化剂质量活度测试系统，其特征在于，所述关系i为，
8.根据权利要求1所述的氧还原催化剂质量活度测试系统，其特征在于，所述关系i通过数据拟合得到；其中，拟合方法优选为通过多项式拟合得到相关多项式关系；
9.一种测试氧还原催化剂质量活性的方法，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种氧还原催化剂质量活性的测试方法，其特征在于，所述开路电压采用电化学测试方法获得；
技术摘要
本发明公开了一种氧还原催化剂的质量活性测试系统及方法。本发明的质量活性测试系统包括依次连接的开路电压测量模块和质量活性数据输出模块；开路电压测量模块用于测量待测氧还原催化剂的开路电压；质量活性数据输出模块用于输出待测氧还原催化剂的质量活性数据；其中，质量活性数据输出模块包括质量活性数据转换器，用于根据以活性组分质量含量百分比相同的若干个氧还原催化剂的开路电压为横坐标，以其中若干个氧还原催化剂的质量活性为纵坐标拟合的关系式I，对质量活性数据进行转换。本发明的氧还原催化剂的质量活性测试系统可以简便、快速地获得氧还原催化剂的质量活性数据。
技术研发人员：蒋海波、李春忠、陆继元、毕路远、余胜伟、谢翔、孙雪、张丽丽
受保护技术用户：华东理工大学
技术开发日：
技术发布日期：2024/1/13