光滑Au电极(a)和纳米Pd修饰的Au电极(b)的SEM照片
燃料电池是一种直接将化学能转化成电能的装置, 由于其不受卡诺循环的限制, 因此具有更高的能量转换效率. 传统的在陆地上使用的燃料电池通常以空气中的氧气为氧化剂. 在无空气环境下(水下和太空)工作的燃料电池,则常采用液态氧或压缩氧气, 这两种氧的携带存储方式,一方面增加了电池系统的复杂性, 另一方面存在着安全隐患. 以H2O2为氧化剂具有一定的优势, 特别是对于小型燃料电池.这是因为标准状态下, H2O2为液体, 不仅易于携带存储,还可以任意浓度方便地加入到电池中,从而可简化系统构造并能提高电池的安全性.近年来,H2O2已被研究用于作为水下电源的金属半燃料电池和直接硼氢化物燃料电池的阴极氧化剂.
H2O2作为燃料电池阴极氧化剂时, 其电还原反应速率将直接影响整个电池的性能, 因此, 对其电还原催化剂的研究已经开始引起人们的关注. 目前研究的催化剂主要集中在Pt、Pd、Ag、Au等贵金属及其合金, 电解质多采用碱性溶液. 酸性电解质中H2O2电还原催化剂的研究不多. 而过氧化氢在酸性电解质中的标准还原电势(1.77 V)比在碱性溶液中更高(0.81 V). Medeiros等发现负载在炭素材料(碳纸、碳布、碳纤维)上的Pd-Ir对H2O2在H2SO4溶液中的电还原表现出较好的催化活性. Sun等研究了泡沫镍上电沉积Pd-Ag催化H2O2在H2SO4溶液中的电还原反应性能, 发现以其为阴极制备的Mg-H2O2半燃料电池在50℃最大功率密度可达140mW·cm-2. 以上研究表明Pd基催化剂对于H2O2在酸性电解质中电还原反应有很高的催化性能, 然而有关纳米Pd上H2O2电催化还原动力学的研究尚未见报道.
哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院曹殿学等人利用纳米Pd颗粒修饰的Au旋转圆盘电极, 通过强制对流条件下的线性电势扫描伏安法, 研究了酸性介质中H2O2在纳米Pd催化剂上的电还原反应. 动力学研究结果表明, H2O2在纳米Pd上电还原反应的表观活化能为27.6 kJ·mol-1,反应为2电子转移过程,电解质的阴离子类型显著影响纳米Pd对H2O2电化学还原反应的催化性能. 根据动力学电流与H2O2浓度及与H+浓度的关系, 提出了Pd催化H2O2电还原反应可能的速率控制步骤, 并讨论了其可能的反应机理.