DMFC多孔Pt-Ru阳极双中心吸附机理甲醇氧化动力学模型化

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甲醇在Pt-Ru催化剂上阳极氧化的动力学规律不能简单地用指数型B-V或Tafel方程描述,其速率表达式与双中心机理基元步骤的中间组分吸附覆盖率直接相关。本文拟建立和求解DMFC多孔阳极甲醇氧化的动力学理论数模,包括本征动力学模型和宏观动力学模型两个部分。根据Pt-Ru催化剂上双中心吸附机理,得到包含CO和OH覆盖率的甲醇水解本征动力学表达式,根据文献报道的极化实验数据,回归出活化能值并修正了动力学参数,定量分析了吸附态甲醇(Mads)、COads、OHads三种中间产物的覆盖率,讨论了其在不同温度和甲醇浓度下与超电势的理论关系,并计算出基于吸附—反应动力学的极化曲线。进而通过对该多孔阳极微元体积中的物料和电(荷)量衡算,导出了描述电极中浓度和超电势分布的两个耦联的模型方程。经无因次化后,获得以量纲1变量和准数表示的普遍化宏观动力学数模。该模型包括催化层厚度L、比表面积α、有效扩散系数De和有效液相电导率ke等工程参数,特别是包括了与动力学参数相关且作为厚度变量函数的CO和OH覆盖率。进而,文中还给出了DMFC多孔阳极效率因子和极化曲线的计算公式。该数模为一非线性二阶微分方程组边值问题,经解耦,可得到两个同解的微分方程。用Newman的BAND(J)程序对方程进行数值求解,并在每一节点计算中嵌入一个计算CO和OH覆盖率的子程序。本征动力学分析表明,COads覆盖率θco虽小,但其变化规律对动力学行为影响最大;超电势较小时速率控制步骤为吸附态甲醇的电化学分解,超电势较高时则转为甲醇在Pt上的活化吸附,中等超电势时为无速率控制步骤的过渡阶段。宏观动力学分析表明,模型预测值与甲醇氧化多孔阳极的极化实验数据在宏观电流密度较低时能很好相符;当宏观电流密度较高、CO2形成气泡的影响变大时,实验值有规律地偏低于预测值。在不同甲醇主体浓度时的低超电势下,电流密度均小至几近于零,这是因为Pt位上吸附态甲醇CH3OHads的电催化分解反应速率太低,故提高催化剂Pt位甲醇电分解活性以减少功率损失、优化多孔电极微观和宏观结构以削弱两相流影响,应是改善该阳极性能的重要课题。
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