TRIZ理論在甲醇燃料電池催化劑性能改進中的應用

鄭 霞，肖海連，白 強，劉漫紅，隋 凝

(青島科技大學 材料科學與工程學院，山東 青島 266042)

1 TRIZ理論體系的概述

TRIZ理論，1946年由前蘇聯發明家阿奇舒勒創立，通過研究世界上大量高水平專利，發現任何領域的技術發展都會遵循一定的進化規律，進而總結出解決各種矛盾的創新原理與法則，建立了一套由解決技術、實現創新開發的方法、算法組成的理論體系[1]。TRIZ理論包括：40個發明原理、39個工程參數、阿奇舒勒矛盾矩陣、物理矛盾和分離原理、物-場模型(Su-Field)、最終理想解(IFR)等六大基本工具[2]。如今，TRIZ理論在技術、生產、管理等領域中應用廣泛，如BMW車外形設計、飛機機翼的進化、轉動門動力裝置設計等，但在科研工作中，應用TRIZ理論解決實驗問題的實例卻很少。本文將立足于TRIZ理論，實現燃料電池催化劑的性能改進。

2 TRIZ理論在燃料電池催化劑性能改進中的應用

2.1 提出問題

直接甲醇燃料電池以其體積小、燃料易得、環保節能、能量密度高等優勢而受到廣大研究者的青睞。而現階段，甲醇燃料電池并沒有得到大范圍的推廣，其中，催化劑是限制其發展的一個至關重要的因素。如何提高催化劑的性能、降低制備成本，是燃料電池領域研究的一個熱點。

甲醇燃料電池催化劑主要存在催化效率低和制備成本高等局限性，產生問題的具體原因如圖1所示。

圖1 甲醇顏料電池催化劑目前存在的局限性及其原因

在成本方面，目前甲醇燃料電池常用的催化劑為鉑和鈀，地殼中含量少，價格昂貴，降低成本的常用解決方法為：采用非貴金屬進行摻雜，降低鉑和鈀的含量，進而降低甲醇燃料電池的成本[3]。由于Pd相對與Pt的價格更為便宜，所以本文采用Pd作為對象進行研究。

而對于催化劑催化效率低的問題，即催化劑的性能較差的問題，是一個亟待解決的問題，也是本文接下來要解決的問題所在。

2.2 利用矛盾矩陣提出解決思路

經過上述分析，本文要解決的主要技術矛盾為：催化劑的性能較差。甲醇燃料電池在運轉過程中，由于催化劑性能較差，催化劑的消耗量相應會增加，從而增加使用成本。因此，提高催化劑的性能是一個至關重要的問題。

矛盾矩陣表可用來解決技術矛盾[4]。想要改善的參數是催化劑的效率，即生產率，對應矛盾矩陣表中豎列的編號26，不想被惡化的參數是催化劑的成本，即物體產生的有害因素，對應矛盾矩陣表中橫列的編號31。

查找矛盾矩陣表，可以運用的創新原理是：18(機械震動原理)，22(變害為利原理)，35(物理或化學參數改變原理)，39(復合材料原理)。

對上述創新原理進行分析，提出解決方案：

利用創新原理35，通過改變維度提高性能。常用的催化劑材料大多為一維結構，若將催化劑Pd通過實驗的手段制備成二維片狀結構，比表面積能夠顯著提高，從而暴露出Pd表面更多的活性位點，催化效率會大幅度提高，用量減少，成本相應會降低。

將Pd從一維結構變為二維結構常用的方案有兩種：

1)加入大分子表面引導劑，即利用表面引導劑的長鏈分子結構，構造鈀的二維結構。

2)加入小分子引導劑CO，CO吸附到Pd的(220)晶面上，引導Pd生成片狀結構。可以用直接通入CO的方法，也可以通過鐵的羰基化合物[6]加熱釋放CO。

2.3 通過因果分析在兩種方案中得到最優解

本文采用因果分析法[5]，對兩種方案進行分析，方案為因，尋找方案運用時導致的結果。

圖2 因果分析圖

通過因果分析，發現了提高催化劑性能的各方案在運行過程中存在的弊端：大分子表面引導劑會吸附在催化劑表面，覆蓋一部分活性位點。在制備Pd二維片狀結構的過程中，直接通入CO氣體，若操作不當，會導致CO泄露，存在很大的危險性，同時實驗過程需要保持一定的壓力，對設備要求較高，而用羰基化合物加熱釋放CO，對設備要求不高，操作簡便，安全性高，且小分子引導劑CO產生的活性阻礙較少。因此，提高催化劑性能的最優解是：用羰基化合物釋放小分子引導劑CO，制備二維超薄鈀納米片。

2.4 方案評估

對上述分析分析進行歸納，從而對實驗方案進行可行性評價，評估表見表1。

通過以上分析可知，提高催化劑金屬鈀的性能的最佳方案是利用羰基化合物(本文采用羰基鐵)加熱釋放小分子引導劑CO。在制備過程中，CO吸附在Pd的表面，引導一維金屬Pd生成二維片狀結構，增加比表面積，暴露出更多的活性位點，從而催化速率會大幅度提升，且CO是小分子物質，對金屬Pd表面造成的活性阻礙較少。

表1 方案評估表

2.5 性能測試

采用電化學工作站對改進后的超薄鈀納米片和商用鈀碳進行甲醇電催化氧化測試，實驗結果如圖3所示。

圖3 (a)二維超薄鈀納米片的TEM照片；(b)商用鈀碳與二維超薄鈀納米片甲醇氧化CV曲線(1 mol/L KOH與1.5 mol/L CH3OH)

如圖3a所示，利用鐵的羰基化合物釋放的CO小分子引導鈀生成了二維超薄鈀納米片。通過小分子引導劑CO的引導，一維的Pd轉變為二維片狀結構的鈀，增加了鈀的比表面積，從而暴露出更多的活性位點。

從3b圖中可以看出，所制備的二維超薄鈀納米片對甲醇氧化的峰值電流為690 mA·mg-1，是商用鈀碳的4.3倍。這表明所制備的二維超薄鈀納米片能夠顯著提高鈀對甲醇的電催化氧化能力。由此可以推斷出，小分子引導劑CO引導一維金屬Pd生成二維片狀結構，增加了鈀的比表面積，暴露出更多的活性位點，從而對甲醇的電催化氧化能力有著明顯的改善。

3 結語

本文利用TRIZ理論對甲醇燃料電池的金屬鈀的催化體系進行改進。首先，通過分析得出影響催化效率的關鍵因素，即催化劑的性能，然后利用矛盾矩陣找到解決方案：通過改變Pd的維度提高性能，從而設計改進方案。最后利用因果分析評估改進方案，通過電化學工作站對改進后的超薄鈀納米片和商用鈀碳進行甲醇電氧化測試，驗證分析結果，證明了二維片狀的Pd相比于商用鈀碳具有更高的催化活性。本文利用TRIZ工具有效地解決了燃料電池催化劑性能較差的問題，證明TRIZ工具能夠較好的解決實際應用問題。