安瑞花，隋 凝*，肖海連，白 強(qiáng)，劉漫紅，王麗娜

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

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是前蘇聯(lián)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(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理和技術(shù)法則[1]。TRIZ理論的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段，且隨著時(shí)代變化分為經(jīng)典創(chuàng)新發(fā)明理論和現(xiàn)代創(chuàng)新理論體系[2-4]?，F(xiàn)代TRIZ理論主要包括以下六個(gè)方面的內(nèi)容：創(chuàng)新思維方法與問(wèn)題分析方法、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾解決原理、創(chuàng)新問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問(wèn)題解決算法ARIZ、基于物理、化學(xué)和幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)[5]。到目前為止，TRIZ理論的應(yīng)用已經(jīng)在實(shí)踐中取得顯著的成果。如韓國(guó)的三星、美國(guó)的福特和波音、中國(guó)的中興通訊、德國(guó)的西門(mén)子等[6]。但TRIZ理論在科學(xué)研究領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道還不是很多，因此，本文將研究TRIZ理論在乙醇燃料電池陽(yáng)極催化劑設(shè)計(jì)制備中的應(yīng)用。

2 直接乙醇燃料電池研究現(xiàn)狀

2.1 直接乙醇燃料電池概述

燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的工作原理是陽(yáng)極催化劑將氫原子分解成兩個(gè)氫離子和兩個(gè)電子，在電場(chǎng)作用下氫離子穿過(guò)滲透膜擴(kuò)散到陰極，與此同時(shí)電子移動(dòng)通過(guò)外接負(fù)載產(chǎn)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(yīng)生成水。直接乙醇燃料電池作為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的一種，有很多優(yōu)點(diǎn)：燃料來(lái)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(wèn)題：

目前一些弊端限制了直接乙醇燃料電池的應(yīng)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種中間體，如CH3COH、CO等，它們會(huì)占據(jù)催化劑活性位點(diǎn)，阻礙乙醇吸附，導(dǎo)致氧化速率降低；(3)催化劑容易發(fā)生CO中毒。因此，開(kāi)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)，它直接決定了整個(gè)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(duì)已有催化劑體系的改進(jìn)

針對(duì)上述催化劑效率低的問(wèn)題，本文將TRIZ理論用于其中，分析問(wèn)題并得出解決方案。進(jìn)一步通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證此方法的可行性，在此基礎(chǔ)上對(duì)所得結(jié)果進(jìn)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(lái)分析該功能是否需要，需要?jiǎng)t保留否則裁剪，對(duì)于需要的功能還應(yīng)分析該元件能否完成其功能。該過(guò)程主要用來(lái)識(shí)別后期需要解決的問(wèn)題[8]。

對(duì)電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，得到如圖1所示。

圖1 電化學(xué)測(cè)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(duì)象，其他部分為超系統(tǒng)組件，為了使研究對(duì)象更為具體，我們對(duì)工作電極(GCE)進(jìn)行分析，其中虛線箭頭表示兩者之間作用不足，實(shí)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(wèn)題為催化劑的原料對(duì)催化性能之間作用不足。

3.2 因果鏈分析

因果分析是用來(lái)找出問(wèn)題誘發(fā)的本質(zhì)因素，用于從底層關(guān)鍵點(diǎn)采取措施進(jìn)而解決問(wèn)題。對(duì)現(xiàn)有催化劑進(jìn)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(wèn)題變?yōu)樘岣呋钚晕稽c(diǎn)數(shù)和減少貴金屬用量以降低成本。故核心為體系的改進(jìn)。

3.3 矛盾分析

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

查閱矛盾分析矩陣表可知：其對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理為：局部質(zhì)量(No.3)；物理/化學(xué)狀態(tài)變化(No.35)；惰性環(huán)境(No.39)；復(fù)合材料(No.40)。

通過(guò)No.40復(fù)合材料原理得到解決方案：可將原體系設(shè)計(jì)成Au@PdNi復(fù)合體系。利用Au的表面等離激元共振效應(yīng)產(chǎn)生的局部升溫來(lái)降低反應(yīng)所需活化能，進(jìn)而提高催化活性。通過(guò)引入過(guò)渡金屬如Ni,Co,Fe等可改變Pd的d電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩者之間的協(xié)同效應(yīng)起到更好的增強(qiáng)效果，同時(shí)，減少了貴金屬用量，從而降低了成本。

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

3.4 物場(chǎng)模型分析

物場(chǎng)模型也是解決問(wèn)題的一種工具，其依據(jù)的原理為任何一種功能均可分解為兩種物質(zhì)和一個(gè)場(chǎng)[9]，具體分析如圖4所示。

圖4 物質(zhì)場(chǎng)模型

其中，F(xiàn)代表化學(xué)場(chǎng)，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(biāo)準(zhǔn)解：查閱標(biāo)準(zhǔn)解的解決方案通過(guò)第II類標(biāo)準(zhǔn)解來(lái)完善物場(chǎng)模型。

利用多孔原理，將納米顆粒制成中空多孔結(jié)構(gòu)。在No.40的基礎(chǔ)上構(gòu)造中空納米Au@PdNi復(fù)合結(jié)構(gòu)。一方面減輕其質(zhì)量，從而降低催化劑成本。另一方面多孔結(jié)構(gòu)形成大的比表面有利于形成更多的活性位點(diǎn)，利于催化反應(yīng)的進(jìn)行。

3.5 方案評(píng)估

表1 各類解決方案評(píng)估表

綜合評(píng)估上述性能，最終選定方案為方案2和3的結(jié)合版，即多孔Au@PdNi復(fù)合體系。

3.6 性能測(cè)試評(píng)估

對(duì)改進(jìn)后體系與其他體系的電化學(xué)催化乙醇氧化性能進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)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(cè)試結(jié)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(xiàn)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(shuō)明在較低的電位下，乙醇氧化反應(yīng)更易在多孔Au@Pd2Ni1上進(jìn)行。

4 總結(jié)與展望

本文運(yùn)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(wèn)題為催化劑體系的改進(jìn)。運(yùn)用矛盾分析、物場(chǎng)模型分析及標(biāo)準(zhǔn)解等解決問(wèn)題的方法，利用發(fā)明原理中的復(fù)合原理、多孔原理及局部質(zhì)量原理構(gòu)造了Au@Pd2Ni1新型納米催化劑，解決了直接乙醇燃料電池陽(yáng)極催化劑效率低這一主要問(wèn)題。并通過(guò)循環(huán)伏安(CV)和線性掃描伏安(LSV)曲線進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示多孔Au@Pd2Ni1顯現(xiàn)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(shí)TRIZ理論在指導(dǎo)直接乙醇燃料電池陽(yáng)極催化劑的改進(jìn)問(wèn)題方面的實(shí)用性。這一過(guò)程為創(chuàng)新理論在其他方面應(yīng)用提供一定借鑒作用。