郑 霞，肖海连，白 强，刘漫红，隋 凝

(青岛科技大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266042)

TRIZ理论，1946年由前苏联发明家阿奇舒勒创立，通过研究世界上大量高水平专利，发现任何领域的技术发展都会遵循一定的进化规律，进而总结出解决各种矛盾的创新原理与法则，建立了一套由解决技术、实现创新开发的方法、算法组成的理论体系[1]。TRIZ理论包括：40个发明原理、39个工程参数、阿奇舒勒矛盾矩阵、物理矛盾和分离原理、物-场模型(Su-Field)、最终理想解(IFR)等六大基本工具[2]。如今，TRIZ理论在技术、生产、管理等领域中应用广泛，如BMW车外形设计、飞机机翼的进化、转动门动力装置设计等，但在科研工作中，应用TRIZ理论解决实验问题的实例却很少。本文将立足于TRIZ理论，实现燃料电池催化剂的性能改进。

直接甲醇燃料电池以其体积小、燃料易得、环保节能、能量密度高等优势而受到广大研究者的青睐。而现阶段，甲醇燃料电池并没有得到大范围的推广，其中，催化剂是限制其发展的一个至关重要的因素。如何提高催化剂的性能、降低制备成本，是燃料电池领域研究的一个热点。

甲醇燃料电池催化剂主要存在催化效率低和制备成本高等局限性，产生问题的具体原因如图1所示。

图1 甲醇颜料电池催化剂目前存在的局限性及其原因

在成本方面，目前甲醇燃料电池常用的催化剂为铂和钯，地壳中含量少，价格昂贵，降低成本的常用解决方法为：采用非贵金属进行掺杂，降低铂和钯的含量，进而降低甲醇燃料电池的成本[3]。由于Pd相对与Pt的价格更为便宜，所以本文采用Pd作为对象进行研究。

而对于催化剂催化效率低的问题，即催化剂的性能较差的问题，是一个亟待解决的问题，也是本文接下来要解决的问题所在。

经过上述分析，本文要解决的主要技术矛盾为：催化剂的性能较差。甲醇燃料电池在运转过程中，由于催化剂性能较差，催化剂的消耗量相应会增加，从而增加使用成本。因此，提高催化剂的性能是一个至关重要的问题。

矛盾矩阵表可用来解决技术矛盾[4]。想要改善的参数是催化剂的效率，即生产率，对应矛盾矩阵表中竖列的编号26，不想被恶化的参数是催化剂的成本，即物体产生的有害因素，对应矛盾矩阵表中横列的编号31。

查找矛盾矩阵表，可以运用的创新原理是：18(机械震动原理)，22(变害为利原理)，35(物理或化学参数改变原理)，39(复合材料原理)。

对上述创新原理进行分析，提出解决方案：

利用创新原理35，通过改变维度提高性能。常用的催化剂材料大多为一维结构，若将催化剂Pd通过实验的手段制备成二维片状结构，比表面积能够显著提高，从而暴露出Pd表面更多的活性位点，催化效率会大幅度提高，用量减少，成本相应会降低。

将Pd从一维结构变为二维结构常用的方案有两种：

1)加入大分子表面引导剂，即利用表面引导剂的长链分子结构，构造钯的二维结构。

2)加入小分子引导剂CO，CO吸附到Pd的(220)晶面上，引导Pd生成片状结构。可以用直接通入CO的方法，也可以通过铁的羰基化合物[6]加热释放CO。

本文采用因果分析法[5]，对两种方案进行分析，方案为因，寻找方案运用时导致的结果。

图2 因果分析图

通过因果分析，发现了提高催化剂性能的各方案在运行过程中存在的弊端：大分子表面引导剂会吸附在催化剂表面，覆盖一部分活性位点。在制备Pd二维片状结构的过程中，直接通入CO气体，若操作不当，会导致CO泄露，存在很大的危险性，同时实验过程需要保持一定的压力，对设备要求较高，而用羰基化合物加热释放CO，对设备要求不高，操作简便，安全性高，且小分子引导剂CO产生的活性阻碍较少。因此，提高催化剂性能的最优解是：用羰基化合物释放小分子引导剂CO，制备二维超薄钯纳米片。

对上述分析分析进行归纳，从而对实验方案进行可行性评价，评估表见表1。

通过以上分析可知，提高催化剂金属钯的性能的最佳方案是利用羰基化合物(本文采用羰基铁)加热释放小分子引导剂CO。在制备过程中，CO吸附在Pd的表面，引导一维金属Pd生成二维片状结构，增加比表面积，暴露出更多的活性位点，从而催化速率会大幅度提升，且CO是小分子物质，对金属Pd表面造成的活性阻碍较少。

表1 方案评估表

采用电化学工作站对改进后的超薄钯纳米片和商用钯碳进行甲醇电催化氧化测试，实验结果如图3所示。

图3 (a)二维超薄钯纳米片的TEM照片；(b)商用钯碳与二维超薄钯纳米片甲醇氧化CV曲线(1 mol/L KOH与1.5 mol/L CH3OH)

如图3a所示，利用铁的羰基化合物释放的CO小分子引导钯生成了二维超薄钯纳米片。通过小分子引导剂CO的引导，一维的Pd转变为二维片状结构的钯，增加了钯的比表面积，从而暴露出更多的活性位点。

从3b图中可以看出，所制备的二维超薄钯纳米片对甲醇氧化的峰值电流为690 mA·mg-1，是商用钯碳的4.3倍。这表明所制备的二维超薄钯纳米片能够显著提高钯对甲醇的电催化氧化能力。由此可以推断出，小分子引导剂CO引导一维金属Pd生成二维片状结构，增加了钯的比表面积，暴露出更多的活性位点，从而对甲醇的电催化氧化能力有着明显的改善。

本文利用TRIZ理论对甲醇燃料电池的金属钯的催化体系进行改进。首先，通过分析得出影响催化效率的关键因素，即催化剂的性能，然后利用矛盾矩阵找到解决方案：通过改变Pd的维度提高性能，从而设计改进方案。最后利用因果分析评估改进方案，通过电化学工作站对改进后的超薄钯纳米片和商用钯碳进行甲醇电氧化测试，验证分析结果，证明了二维片状的Pd相比于商用钯碳具有更高的催化活性。本文利用TRIZ工具有效地解决了燃料电池催化剂性能较差的问题，证明TRIZ工具能够较好的解决实际应用问题。

山东化工2019年23期