TRIZ理论在乙醇燃料电池阳极催化剂设计制备中的应用

安瑞花，隋 凝*，肖海连，白 强，刘漫红，王丽娜

(1.青岛科技大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266042；2.青岛科技大学 环境科学与安全工程学院，山东 青岛 266042)

1 TRIZ理论概述

TRIZ理论是前苏联著名发明家阿奇舒勒(Altshuller G.S.)在1946年与其同事提出的,其目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和技术法则[1]。TRIZ理论的发展经历了四个阶段，且随着时代变化分为经典创新发明理论和现代创新理论体系[2-4]。现代TRIZ理论主要包括以下六个方面的内容：创新思维方法与问题分析方法、技术系统进化法则、技术矛盾解决原理、创新问题标准解法、发明问题解决算法ARIZ、基于物理、化学和几何学等工程学原理而构建的知识库[5]。到目前为止，TRIZ理论的应用已经在实践中取得显著的成果。如韩国的三星、美国的福特和波音、中国的中兴通讯、德国的西门子等[6]。但TRIZ理论在科学研究领域的相关报道还不是很多，因此，本文将研究TRIZ理论在乙醇燃料电池阳极催化剂设计制备中的应用。

2 直接乙醇燃料电池研究现状

2.1 直接乙醇燃料电池概述

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池的工作原理是阳极催化剂将氢原子分解成两个氢离子和两个电子，在电场作用下氢离子穿过渗透膜扩散到阴极，与此同时电子移动通过外接负载产生电能，最后在阴极催化剂氧化作用下氢离子、氧气和电子发生反应生成水。直接乙醇燃料电池作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一种，有很多优点：燃料来源丰富，携带方便，能量密度高，操作容易，因而引起了广大研究者的兴趣[7]。

2.2 直接乙醇燃料电池目前主要存在的问题：

目前一些弊端限制了直接乙醇燃料电池的应用，最为明显的为催化剂的特性：(1)催化剂成本高。一般所选用的均为贵金属催化剂，因地壳中含量少，因此成本较高。(2)在催化乙醇氧化过程中会产生各种中间体，如CH3COH、CO等，它们会占据催化剂活性位点，阻碍乙醇吸附，导致氧化速率降低；(3)催化剂容易发生CO中毒。因此，开发具有高催化活性和耐用性的新型电催化剂目前仍是一个巨大的挑战，它直接决定了整个燃料电池的性能，并影响其大规模商业化。

3 基于TRIZ理论对已有催化剂体系的改进

针对上述催化剂效率低的问题，本文将TRIZ理论用于其中，分析问题并得出解决方案。进一步通过测试来验证此方法的可行性，在此基础上对所得结果进行优化分析。

3.1 功能分析

功能分析指从完成功能的角度来分析该功能是否需要，需要则保留否则裁剪，对于需要的功能还应分析该元件能否完成其功能。该过程主要用来识别后期需要解决的问题[8]。

对电化学测量系统进行功能分析，得到如图1所示。

图1 电化学测试系统功能模型图

由于工作电极是我们研究的系统对象，其他部分为超系统组件，为了使研究对象更为具体，我们对工作电极(GCE)进行分析，其中虚线箭头表示两者之间作用不足，实线则表示有效作用功能。

图2 工作电极功能模型图

由上述分析得知主要问题为催化剂的原料对催化性能之间作用不足。

3.2 因果链分析

因果分析是用来找出问题诱发的本质因素，用于从底层关键点采取措施进而解决问题。对现有催化剂进行因果分析，如图3所示。

图3 因果链分析图

由以上分析可知，解决的主要问题变为提高活性位点数和减少贵金属用量以降低成本。故核心为体系的改进。

3.3 矛盾分析

通过上面的分析，我们可以得到技术矛盾1：Pd含量少，催化效率下降，但同时成本降低。查阅39个通用工程参数，可知改善的是物质的数量(No.26)，恶化的是物体产生的有害因素(No.31)。

查阅矛盾分析矩阵表可知：其对应的发明原理为：局部质量(No.3)；物理/化学状态变化(No.35)；惰性环境(No.39)；复合材料(No.40)。

通过No.40复合材料原理得到解决方案：可将原体系设计成Au@PdNi复合体系。利用Au的表面等离激元共振效应产生的局部升温来降低反应所需活化能，进而提高催化活性。通过引入过渡金属如Ni,Co,Fe等可改变Pd的d电子结构，通过两者之间的协同效应起到更好的增强效果，同时，减少了贵金属用量，从而降低了成本。

运用No.3局部质量原理得到解决方案：将系统的温度、密度、Pd含量等参数值由恒定值变为按一定斜率递增或递减，进行条件优化。

3.4 物场模型分析

物场模型也是解决问题的一种工具，其依据的原理为任何一种功能均可分解为两种物质和一个场[9]，具体分析如图4所示。

图4 物质场模型

其中，F代表化学场，S1代表乙醇溶液，S2代表Pd基催化剂体系，其中，S2至S1的虚线表示作用不足。

标准解：查阅标准解的解决方案通过第II类标准解来完善物场模型。

利用多孔原理，将纳米颗粒制成中空多孔结构。在No.40的基础上构造中空纳米Au@PdNi复合结构。一方面减轻其质量，从而降低催化剂成本。另一方面多孔结构形成大的比表面有利于形成更多的活性位点，利于催化反应的进行。

3.5 方案评估

表1 各类解决方案评估表

综合评估上述性能，最终选定方案为方案2和3的结合版，即多孔Au@PdNi复合体系。

3.6 性能测试评估

对改进后体系与其他体系的电化学催化乙醇氧化性能进行测试，所得结果如图5所示。

图5 四种不同的催化剂在50 mV s-1扫描速率下和1 mol/L KOH+1 mol/L CH3CH2OH中测试结果

由图5a可知，与商业Pd/C,PdNi和Au相比，中空多孔Au@Pd2Ni1纳米催化剂在1mol/L KOH+1 mol/L CH3CH2OH电解液中的循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)曲线中显现出更加优异的电催化性能，其分别是PdNi(2890 mA·mg-1) 和商业钯碳Pd/C(495mA·mg-1)的1.98和9.48倍。由图5b可以看出，多孔Au@Pd2Ni1纳米粒子催化乙醇氧化的初始电位明显低于PdNi 和Pd/C，说明在较低的电位下，乙醇氧化反应更易在多孔Au@Pd2Ni1上进行。

4 总结与展望

本文运用TRIZ理论的功能分析和因果分析，确定了所要解决的核心问题为催化剂体系的改进。运用矛盾分析、物场模型分析及标准解等解决问题的方法，利用发明原理中的复合原理、多孔原理及局部质量原理构造了Au@Pd2Ni1新型纳米催化剂，解决了直接乙醇燃料电池阳极催化剂效率低这一主要问题。并通过循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)曲线进行检测，结果显示多孔Au@Pd2Ni1显现出更优异的电催化乙醇氧化性能，其分别为PdNi(2890mA·mg-1) 和商业钯碳Pd/C(495mA·mg-1)的1.98和9.48倍。从而证实TRIZ理论在指导直接乙醇燃料电池阳极催化剂的改进问题方面的实用性。这一过程为创新理论在其他方面应用提供一定借鉴作用。