TRIZ理論在乙醇燃料電池陽極催化劑設計制備中的應用

安瑞花，隋 凝*，肖海連，白 強，劉漫紅，王麗娜

(1.青島科技大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266042；2.青島科技大學 環(huán)境科學與安全工程學院，山東 青島 266042)

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是前蘇聯著名發(fā)明家阿奇舒勒(Altshuller G.S.)在1946年與其同事提出的,其目的是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和技術法則[1]。TRIZ理論的發(fā)展經歷了四個階段，且隨著時代變化分為經典創(chuàng)新發(fā)明理論和現代創(chuàng)新理論體系[2-4]。現代TRIZ理論主要包括以下六個方面的內容：創(chuàng)新思維方法與問題分析方法、技術系統(tǒng)進化法則、技術矛盾解決原理、創(chuàng)新問題標準解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ、基于物理、化學和幾何學等工程學原理而構建的知識庫[5]。到目前為止，TRIZ理論的應用已經在實踐中取得顯著的成果。如韓國的三星、美國的福特和波音、中國的中興通訊、德國的西門子等[6]。但TRIZ理論在科學研究領域的相關報道還不是很多，因此，本文將研究TRIZ理論在乙醇燃料電池陽極催化劑設計制備中的應用。

2 直接乙醇燃料電池研究現狀

2.1 直接乙醇燃料電池概述

燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的工作原理是陽極催化劑將氫原子分解成兩個氫離子和兩個電子，在電場作用下氫離子穿過滲透膜擴散到陰極，與此同時電子移動通過外接負載產生電能，最后在陰極催化劑氧化作用下氫離子、氧氣和電子發(fā)生反應生成水。直接乙醇燃料電池作為質子交換膜燃料電池(PEMFC)的一種，有很多優(yōu)點：燃料來源豐富，攜帶方便，能量密度高，操作容易，因而引起了廣大研究者的興趣[7]。

2.2 直接乙醇燃料電池目前主要存在的問題：

目前一些弊端限制了直接乙醇燃料電池的應用，最為明顯的為催化劑的特性：(1)催化劑成本高。一般所選用的均為貴金屬催化劑，因地殼中含量少，因此成本較高。(2)在催化乙醇氧化過程中會產生各種中間體，如CH3COH、CO等，它們會占據催化劑活性位點，阻礙乙醇吸附，導致氧化速率降低；(3)催化劑容易發(fā)生CO中毒。因此，開發(fā)具有高催化活性和耐用性的新型電催化劑目前仍是一個巨大的挑戰(zhàn)，它直接決定了整個燃料電池的性能，并影響其大規(guī)模商業(yè)化。

3 基于TRIZ理論對已有催化劑體系的改進

針對上述催化劑效率低的問題，本文將TRIZ理論用于其中，分析問題并得出解決方案。進一步通過測試來驗證此方法的可行性，在此基礎上對所得結果進行優(yōu)化分析。

3.1 功能分析

功能分析指從完成功能的角度來分析該功能是否需要，需要則保留否則裁剪，對于需要的功能還應分析該元件能否完成其功能。該過程主要用來識別后期需要解決的問題[8]。

對電化學測量系統(tǒng)進行功能分析，得到如圖1所示。

圖1 電化學測試系統(tǒng)功能模型圖

由于工作電極是我們研究的系統(tǒng)對象，其他部分為超系統(tǒng)組件，為了使研究對象更為具體，我們對工作電極(GCE)進行分析，其中虛線箭頭表示兩者之間作用不足，實線則表示有效作用功能。

圖2 工作電極功能模型圖

由上述分析得知主要問題為催化劑的原料對催化性能之間作用不足。

3.2 因果鏈分析

因果分析是用來找出問題誘發(fā)的本質因素，用于從底層關鍵點采取措施進而解決問題。對現有催化劑進行因果分析，如圖3所示。

圖3 因果鏈分析圖

由以上分析可知，解決的主要問題變?yōu)樘岣呋钚晕稽c數和減少貴金屬用量以降低成本。故核心為體系的改進。

3.3 矛盾分析

通過上面的分析，我們可以得到技術矛盾1：Pd含量少，催化效率下降，但同時成本降低。查閱39個通用工程參數，可知改善的是物質的數量(No.26)，惡化的是物體產生的有害因素(No.31)。

查閱矛盾分析矩陣表可知：其對應的發(fā)明原理為：局部質量(No.3)；物理/化學狀態(tài)變化(No.35)；惰性環(huán)境(No.39)；復合材料(No.40)。

通過No.40復合材料原理得到解決方案：可將原體系設計成Au@PdNi復合體系。利用Au的表面等離激元共振效應產生的局部升溫來降低反應所需活化能，進而提高催化活性。通過引入過渡金屬如Ni,Co,Fe等可改變Pd的d電子結構，通過兩者之間的協(xié)同效應起到更好的增強效果，同時，減少了貴金屬用量，從而降低了成本。

運用No.3局部質量原理得到解決方案：將系統(tǒng)的溫度、密度、Pd含量等參數值由恒定值變?yōu)榘匆欢ㄐ甭蔬f增或遞減，進行條件優(yōu)化。

3.4 物場模型分析

物場模型也是解決問題的一種工具，其依據的原理為任何一種功能均可分解為兩種物質和一個場[9]，具體分析如圖4所示。

圖4 物質場模型

其中，F代表化學場，S1代表乙醇溶液，S2代表Pd基催化劑體系，其中，S2至S1的虛線表示作用不足。

標準解：查閱標準解的解決方案通過第II類標準解來完善物場模型。

利用多孔原理，將納米顆粒制成中空多孔結構。在No.40的基礎上構造中空納米Au@PdNi復合結構。一方面減輕其質量，從而降低催化劑成本。另一方面多孔結構形成大的比表面有利于形成更多的活性位點，利于催化反應的進行。

3.5 方案評估

表1 各類解決方案評估表

綜合評估上述性能，最終選定方案為方案2和3的結合版，即多孔Au@PdNi復合體系。

3.6 性能測試評估

對改進后體系與其他體系的電化學催化乙醇氧化性能進行測試，所得結果如圖5所示。

圖5 四種不同的催化劑在50 mV s-1掃描速率下和1 mol/L KOH+1 mol/L CH3CH2OH中測試結果

由圖5a可知，與商業(yè)Pd/C,PdNi和Au相比，中空多孔Au@Pd2Ni1納米催化劑在1mol/L KOH+1 mol/L CH3CH2OH電解液中的循環(huán)伏安(CV)和線性掃描伏安(LSV)曲線中顯現出更加優(yōu)異的電催化性能，其分別是PdNi(2890 mA·mg-1) 和商業(yè)鈀碳Pd/C(495mA·mg-1)的1.98和9.48倍。由圖5b可以看出，多孔Au@Pd2Ni1納米粒子催化乙醇氧化的初始電位明顯低于PdNi 和Pd/C，說明在較低的電位下，乙醇氧化反應更易在多孔Au@Pd2Ni1上進行。

4 總結與展望

本文運用TRIZ理論的功能分析和因果分析，確定了所要解決的核心問題為催化劑體系的改進。運用矛盾分析、物場模型分析及標準解等解決問題的方法，利用發(fā)明原理中的復合原理、多孔原理及局部質量原理構造了Au@Pd2Ni1新型納米催化劑，解決了直接乙醇燃料電池陽極催化劑效率低這一主要問題。并通過循環(huán)伏安(CV)和線性掃描伏安(LSV)曲線進行檢測，結果顯示多孔Au@Pd2Ni1顯現出更優(yōu)異的電催化乙醇氧化性能，其分別為PdNi(2890mA·mg-1) 和商業(yè)鈀碳Pd/C(495mA·mg-1)的1.98和9.48倍。從而證實TRIZ理論在指導直接乙醇燃料電池陽極催化劑的改進問題方面的實用性。這一過程為創(chuàng)新理論在其他方面應用提供一定借鑒作用。