高效铂锰合金氧还原催化剂的制备及性能

以氮掺杂科琴黑(N-KB)为载体,采用浸渍还原法合成铂锰合金催化剂(Pt-Mn-N-KB)。通过透射电子显微镜、 X射线衍射仪、比表面测定仪和X射线光电子能谱等对催化剂的形貌、结构和表面组成等进行表征,并对催化剂在中性和碱性电解液中的氧还原性能进行测试。结果表明：Pt-Mn-N-KB催化剂上的Pt-Mn颗粒分散均匀且无团聚现象,平均粒径为1.6 nm。Pt-Mn-N-KB催化剂在碱性电解液中表现出的半波电位为0.884 V,起始电位接近1.01 V,在中性电解液中表现出的半波电位为0.686 V,起始电位为0.83 V,均优于商业铂碳Pt-C的。作为空气阴极应用于铝空气电池,在碱性电解液中表现出的超高功率密度为117.29 mW/cm²,在中性电解液中的为25.65 mW/cm²(中性),相对于商业铂碳Pt-C的分别提高32%和28%     

尿素热转化法制备Co-N-C及Co-Ti-N-C催化剂的氧还原活性和稳定性

以尿素为含氮前躯体,通过热转化法制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)氧还原催化剂Co-N-C及Co-Ti-N-C,考察了不同的尿素/金属比(R)、焙烧温度及钛含量等条件对Co-N-C及Co-Ti-N-C电催化剂氧还原催化活性和稳定性的影响。利用元素分析、热重、X射线衍射分析、X射线光电子能谱等方法对催化剂进行了表征,研究了催化剂的氧还原活性中心结构。结果表明,催化剂在热处理温度为800℃,尿素与金属Co的摩尔比R=12时的氧还原性能最佳,峰电位(Ep,c)达到0.142 V(vs.SCE)。催化剂Co-N-C经353 K硫酸溶液浸泡3 d后,催化剂Co-N-C的活性中心Co4N的含量增大,Ep,c正移至0.445 V(vs.SCE)。钛的掺杂没有改变催化剂的活性中心结构,明显提高了其在酸性介质中的稳定性。     

金属掺杂聚吡咯碳化物PPY-M的制备及其氧还原反应电催化活性

在Fe³⁺或Co²⁺存在下进行吡咯的聚合反应, 得到金属离子掺杂的聚吡咯, 并在N₂气氛下700℃碳化, 再将该碳化产物在900℃焙烧得到含有不同金属的复合催化剂PPY-M(M为不同的金属)。采用SEM、XRD等对催化剂的结构进行了表征。通过循环伏安和线性电位扫描等电化学手段, 研究了催化剂对氧还原(ORR)的电催化活性及其稳定性。结果表明, 掺杂金属钴的催化剂的活性最好, 在酸性溶液中ORR的起始电位达到0.54 V(vs SCE),电流密度为7.5 mA/mg@-0.3 V(vs SCE); 在碱性溶液中ORR的起始电位为-0.11 V(vs SCE),电流密度为5.7 mA/mg@-0.8 V。Fe或Co掺杂的聚吡咯碳化物对ORR具有较强的电催化活性, 而且制备过程简单、成本低, 有较重要的研究意义。     

用于电催化氧还原制备双氧水的催化剂的研究进展

H2 O2及其水溶液双氧水具有强氧化性,被广泛应用于造纸、污水处理和消毒等方面.全球对H2 O2的需求量与日俱增,但传统的蒽醌法工艺复杂、成本高、效率低,氢氧直接合成法又存在很大的安全隐患.因此,电催化氧还原这种新型、绿色且安全的原位合成H2 O2方法近年来受到广泛关注.氧还原反应(ORR)是多电子反应,中间体复杂且难以测量,机理研究困难.ORR存在两种竞争的反应路径,两电子路径得到H2 O2,而四电子路径生成H2O.两电子氧还原反应(2e-ORR)的反应效率取决于催化剂的活性、选择性和稳定性.目前贵金属基催化剂(如Au、Pd)对2e-ORR显示出较好的催化性能,但昂贵、稀缺的特性限制了它们的广泛应用.当前关于电催化氧还原制备H2 O2所用催化剂的研究主要集中于三方面:(1)减少贵金属的负载.将惰性金属与活性金属相结合,得到了许多性能优异的合金材料,如Pt-Hg等.(2)发展非贵金属催化剂.碳基催化剂的缺陷、表面氧官能团(C=O、C-O等)、杂原子掺杂(N-、S-等)和过渡金属掺杂(Co、Fe等)都能够提高H2O2的选择性与催化活性.(3)发展非贵金属复合催化剂.非贵金属复合物催化剂(如MnO2/C、CoS2/C)可促进电子转移,提高H2 O2的选择性.本文系统介绍了2e-ORR的机理及测试方法,简要总结了近年来用于2e-ORR制H2 O2的贵金属基催化剂、碳基催化剂和非贵金属复合催化剂的研究进展,并在此基础上对电催化氧还原制双氧水未来的研究方向进行了展望.     

纤维状多孔钙锰氧化物制备及其氧还原反应电催化活性

首次以海藻酸钙纤维为载体制得层状-钙钛矿结构的Ca₂MnO₄钙锰氧化物(Ca-Mn-O), 并以尖晶石结构的CaMn₃O₆为对比样, 测试了样品作为电化学氧还原催化剂(ORR)的性能。通过XRD、FE-SEM、TEM和BET对材料进行表征, 结果表明该层状-钙钛矿结构的氧化物具有内部相互交联的多孔网状结构和大的比表面积。电催化测试结果表明: Ca₂MnO₄氧化物具有明显的催化活性, 高的极限扩散电流密度、接近四电子氧化还原以及在碱性溶液中较低产率的过氧化氢, 说明这种廉价而丰富的ORR催化剂具有潜在的应用前景。Ca-Mn-O氧化物的催化活性(初始还原电位、极限电流密度以及电子转移数)很大程度依赖于表面Mn的氧化态和晶体结构。此外, 大的比表面积和多孔网状结构, 增多了氧还原反应的电催化活性位; 高的氧空位浓度有利于氧还原反应的进行; 合适的晶体结构具有开放的空间, 有利于氧的吸附。     

PtIr/C合金催化剂的制备及其电催化性能

以碳黑（Vulcan XC 72）为载体,氯铱酸（H2IrCl6.6H2O）和氯铂酸（H2PtCl6.6H2O）为前驱体,聚乙烯基吡咯烷酮（PVP,polyvinylpyrrolidone）为保护剂,首次采用高压氢还原方法制备出PtIr/C合金催化剂,并对其进行不同温度的通H2热处理。运用XRD、TEM和XPS对PtIr/C合金催化剂进行表征。结果表明,Pt与Ir发生合金化,PtIr合金纳米粒子均匀分散在碳黑表面。经400和700℃热处理后,PtIr合金纳米粒子的平均粒径仅从4.46nm长大至4.56和5.58nm,且随着热处理温度的升高,其晶型不断完善。用CO-stripping伏安法,循环伏安法（CV）、计时电流法（CA）等电化学测试方法测试PtIr/C合金催化剂的电催化性能,发现400℃热处理的PtIr/C合金催化剂,在酸性溶液中对CO氧化的起始电位明显提前,对甲醇氧化具有最高的催化活性。     

PtMo合金催化剂氧还原反应催化性能研究

采用乙二醇还原法和后续的热处理工艺制备了Pt-Mo合金催化剂。使用透射电子显微镜、X射线衍射、电感耦合等离子体发射光谱、X射线光电子能谱等方法对样品进行了形貌、结构和组分的表征。通过电化学测试方法,探究了不同催化剂的电催化活性和稳定性。结果表明：合适的热处理温度不仅提高了Pt-Mo纳米颗粒的合金化程度,而且改变了催化剂颗粒表面的电子结构和成分。所以,经过400℃热处理的PtMo/C-400催化剂表现出较好的氧还原性能,其电催化活性和稳定性均与商业J01-Pt/C催化剂相当。     

硼氮双掺杂提升碳点电催化氧还原活性研究

碳点(CDs)因其较大的比表面积和较快的电子转移特性,已成为能量转换应用领域一种新兴的纳米炭材料.本文以低成本的石油焦为原料,通过简便的一步电化学刻蚀方法制备了硼氮双掺杂碳点(BN-CDs).与单掺杂碳点B-CDs和N-CDs相比,双掺杂BN-CDs表现出更优异的四电子氧还原电催化活性,具有更正的起始电位(Eonset...     

用于氧还原反应的PtNi合金催化剂研究进展

氧还原反应是质子交换膜燃料电池阴极催化反应的关键步骤。氧还原活性趋势图(火山图)中,贵金属Pt超高的催化性能显而易见,因此目前氧还原性能最佳的商业化催化剂仍然是碳载铂(Pt/C)。另一方面,Pt昂贵的价格也促使国内外研究者尝试开发Pt合金催化剂、非Pt催化剂等新型催化剂。在开发低Pt催化剂过程中,通过添加过渡金属来改变d带中心是较普遍的解决方案。研究者发现PtNi/C催化剂的氧还原性能远超商业化Pt/C催化剂,但催化剂中的过渡金属Ni在酸性条件下易溶解,从而破坏反应环境,导致稳定性较差。当前针对该问题的研究主要聚焦于调节催化剂晶面、表面应变以及组成结构,通过改变这些因素试图提高催化剂的电化学活性和耐久性。其中,由Pt₃Ni(111)面封闭形成的八面体纳米颗粒已经被认为是很有前途的氧还原反应电催化剂,成为了PtNi双金属催化剂中的研究热点。此外,对合金表面进行其他金属/非金属元素修饰,改善催化剂载体性质,也可以实现催化剂氧还原性能的提高。本文综述了近些年用于氧还原反应的Pt-Ni基催化剂的研究现状,主要包括通过催化剂形貌调控来控制暴露晶面、对催化剂进行表面修饰,以及...     

石墨烯基氧还原催化剂的研究进展

石墨烯具有独特的物理和化学特性,因而作为二维载体在催化方面展现出广阔的应用前景.燃料电池是一种高效、清洁的新能源,氧还原催化剂是燃料电池的核心之一,石墨烯基氧还原催化剂的研究对推动燃料电池的商业化具有重要意义.本文介绍了Pt/石墨烯、非Pt金属/石墨烯、非金属/石墨烯等复合材料作为氧还原催化剂的研究进展.最后,阐述了石...     

恒压电沉积Pt-Fe合金催化剂及在PEMFC阴极的应用

利用循环伏安法探究Pt与Fe共沉积的还原电位, 并在此电位下在多孔碳布表面恒压电沉积制备Pt-Fe合金, 研究其作为质子交换膜燃料电池 (PEMFC)阴极催化剂的电催化活性。通过X射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及场发射扫描电子显微镜 (FESEM)、能量色散谱 (EDS)、循环伏安 (CV)、单电池极化、电化学交流阻抗谱 (EIS)等测试技术对所得催化剂进行物理及电化学性能表征。实验表明, 在0.075 V电位下可还原得到Pt-Fe合金, 其颗粒在碳布表面呈空心球状且分散均匀; 共沉积时间对Pt-Fe合金催化剂成分组成有显著的影响, 随着时间的增加, 合金中Pt与Fe原子比增加, Fe相对含量下降。Fe可与Pt形成稳定的合金催化剂, 显著提高铂对氧还原的催化活性。电沉积30 min制得的合金催化剂具有最佳的催化活性。     

循环伏安电沉积制备Pt-Fe合金催化剂及其性能

为提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)电催化剂的催化活性,并降低其成本,利用循环伏安法电沉积制备Pt-Fe合金催化剂,并以其作为PEMFC阴极。通过X射线衍射仪(XRD)、循环伏安法(CV)、能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)测试技术对催化剂样品进行性能表征。通过循环伏安线性扫描法确定Pt-Fe合金的沉积电位,并探究了电沉积过程中电解液温度、电位和扫描速率对催化剂样品形貌以及电催化性能的影响。结果表明:电解液温度主要对催化剂沉积量及分散性起作用,对形貌影响不大,扫描速率主要对晶体生长产生影响;电位扫描范围为-0.4~0.6 V、扫描速率为100 m V/s,电解液温度为50℃时,电沉积得到的Pt-Fe合金催化剂的颗粒在碳布表面呈空心球状且分散均匀,与其他沉积电位制得的样品相比较,合金中Pt/Fe原子比相对较高,其具有最大的电化学活性表面积,为64.30 m2/g,电催化活性最佳。     

用于质子交换膜燃料电池的高活性、高稳定性PtIrFe/C三元合金催化剂

采用催化裂解法制备了多孔碳,将其作为催化剂载体,利用液相还原和真空热处理工艺制备出PtIrFe/C三元合金催化剂。采用X射线衍射、透射电子显微镜等手段对样品的结构形貌进行表征。使用电化学测试手段研究了不同热处理温度对其催化性能的影响。实验结果表明,热处理带来的合金化作用使催化剂的催化活性和耐久性得到了极大的提高。经过700℃热处理的样品,其面积比活性和质量比活性分别是传统商业Pt/C催化剂的3~4倍。     

碳基纳米结构作为燃料电池催化剂载体的研究进展

质子交换膜燃料电池的主要商用催化剂是碳负载铂纳米粒子体系,其中碳的形式主要是碳黑。然而Pt属于贵金属,价格高、储量低,严重阻碍了PEMFCs的商业化进程。新型碳基纳米材料的不断涌现以及对其性能研究的不断深入,为解决上述问题带来了可能。越来越多的研究显示,基于新型碳基纳米材料的担载体系,不但能够提高Pt的利用率,降低所需的Pt担载量,还能提升催化剂的稳定性和催化活性等,从而高效地提升担载型催化剂的性价比。概述了近年来碳基纳米材料作质子交换膜燃料电池催化剂载体的研究进展,并讨论了未来的发展方向以促进质子交换膜燃料电池的大规模商用。     

聚丙烯腈树脂负载催化剂在聚酮合成中的应用

采用丙烯腈与二乙烯基苯交联合成聚丙烯腈树脂微球,考察了聚合工艺条件对微球的粒径、硬度等的影响.以负载有乙酸钯的聚丙烯腈树脂微球组成的催化体系催化一氧化碳和苯乙烯共聚合成聚酮(STCO).研究了催化体系中的2,2'-联吡啶和对苯醌用量及反应时间对共聚反应的影响.利用红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)对树脂负载催化剂及聚合产物进行了表征.结果表明,树脂负载催化剂对聚酮合成反应具有较好的催化性能:当树脂用量为1g,乙酸钯为22.4mg时,聚酮产量达6.2384g.另外树脂在重复使用5次后仍具有一定的催化活性.     

负载型催化剂对风化煤制备腐植酸的影响

以自制碳纳米管(CNTs)为载体,制备了负载型催化剂CeO2/CNTs、TiO2/CNTs和Ce-Ti-Ox/CNTs,并进行了TEM及XRD表征。以所得样品为催化剂用于东都风化煤降解制备腐植酸的研究,探讨了催化剂用量、反应温度及不同负载型催化剂对风化煤降解制备腐植酸的产率、分子结构及吸光度的影响。结果表明,所用负载型催化剂催化性能明显高于未负载的催化剂,能显著提高腐植酸的产率,而且所得腐植酸分子量较小,吸光度较高,其中Ce-Ti-Ox/CNTs催化效果最为显著,可使腐植酸的产率提高到65.43%,表明铈钛活性组分表现出了协同催化效应。     

CO2和环氧化合物共聚负载型催化剂的研究进展

CO2与环氧化合物共聚生成脂肪族聚碳酸酯,其塑料具有生物可降解性,是一类具有发展前景的环境友好型材料。为了实现该过程中催化剂的循环使用,对催化剂进行负载化是一个有效的途径。对CO2和环氧化合物共聚中负载型催化剂的研究进展进行了综述,为该领域负载型催化剂的进一步研究提供指导。