高分散直接甲醇燃料电池Pt／C阴极电催化剂的制备过程机理与表征

 通过调变的多元醇法制备了40％Pt／C直接甲醇燃料电池阴极电催化剂，应用透射电镜（TEM）及X射线衍射（XRD）方法表征催化剂．结果表明，由该制备方法可得到高分散，金属粒子粒径分布窄的高载量贵金属催化剂．TEM统计结果表明，调变多元醇法制备的40％Pt／C催化剂的金属粒子平均粒径约为2．9nm．直接甲醇燃料电池单池性能测试表明，该方法制得的40％Pt／C的电催化氧还原能力比同型商品催化剂更好．另外，利用UV－Vis光谱研究了催化剂的制备过程．结果表明，在调变的多元醇法中，Pt4＋的还原是一步完成的．     

高分散Fe-N-C氧还原反应电催化剂及其在直接甲醇燃料电池中的应用

氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池等洁净发电装置中阴极的主要反应,该反应动力学过程慢,电化学极化严重. Pt基电催化剂具有较好的ORR活性,然而Pt资源有限、价格昂贵,研制高活性、低成本的代Pt电催化剂意义重大.经过几十年的探索,研究者发现将含有C, N和Fe等元素的前体进行高温热处理得到的Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的活性,然而在高温热解过程中Fe容易发生聚集而形成大块颗粒,导致Fe的利用率不高,影响了电催化剂的ORR活性.
　　本文分别以聚吡咯和乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为C和N的前驱体,利用高温热解形成的富含微孔的碳材料对铁前体的吸附及锚定作用,获得了一种Fe高度分散的Fe-N-C电催化剂.采用物理吸脱附技术、高分辨透射电镜(HRTEM)和扫描电镜对Fe-N-C及其制备过程中相关电催化剂的孔结构及表面形貌进行了表征.结果表明,在第一步热解过程中, EDTA-2Na的Na对碳材料起到了活化作用,形成富含微孔的N掺杂碳材料(N-C-1),其BET比表面积达到1227 m2/g,孔径约1.1 nm.在第二步热解过程中, N-C-1有效地抑制了Fe的聚集,产物Fe-N-C中的Fe元素均匀地分布在碳材料中,其比表面积高达1501 m2/g.
　　电化学测试结果表明,在碱性介质(0.1 mol/L NaOH)中, Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的催化活性, ORR起始电位(Eo)为1.08 V (vs. RHE),半波电位(E1/2)0.88 V,电子转移数n接近4, H2O2产率<3%,与商品20%Pt/C(Johnson Matthey)接近.电化学加速老化测试结果表明, Fe-N-C的E1/2未发生明显变化,而Pt的负移45 mV,表明Fe-N-C具有很好的稳定性;在酸性介质(0.1 mol/L HClO4)中, Fe-N-C的Eo为0.85 V, E1/2为0.75 V,其E1/2比Pt/C负移约0.15 V,表明在酸性介质中Fe-N-C对ORR的催化活性还有待提高.采用TEM、X射线衍射、X射线光电子能谱以及穆斯堡尔谱等方法研究了电催化剂构效关系.结果表明, Fe-N-C较好的ORR活性主要来自于高分散的Fe-N4结构,此外, N(吡啶N和石墨N)掺杂的C也对反应具有一定的催化活性.
　　与Pt/C相比, Fe-N-C电催化剂具有很好的耐甲醇性能.本文对比了Fe-N-C和Pt/C作为阴极催化剂的直接醇类燃料电池(DMFC)性能,采用质子交换膜的DMFC最大功率密度分别为47(Fe-N-C)和79 mW/cm2(Pt/C),而采用碱性电解质膜的则分别为33(Fe-N-C)和8 mW/cm2(Pt/C).结合半电池结果表明, Fe-N-C电催化剂在碱性介质中具有比Pt更为优秀的催化活性和稳定性,有望用作DMFC阴极代Pt催化剂.     

碳纳米管担载PtSn阳极催化剂对乙醇的电催化氧化性能研究

以多壁碳纳米管(MWNTs)为载体制备了担载型PtSn纳米催化剂,对其微观形貌和电催化性能进行了表征.透射电镜(TEM)及X射线衍射(XRD)测试结果表明,以MWNTs为载体提高了PtSn金属粒子的分散度,粒径分布范围在1.5-6.5nm之间,PtSn/MWNTs催化剂的平均粒径为3.6nm.循环伏安、计时电流及DEFC单池的实验结果表明,由于MWNTs具有独特的结构及丰富的表面基团和较高的导电率,PtSn/MWNTs催化剂对乙醇的催化氧化表现出比PtSn/XC-72更高的活性.     

N,O共修饰的Ni纳米颗粒/氮掺杂介孔碳CO2高效电还原催化剂

利用可再生电力能源将CO2电还原(CO2RR)为高附加值燃料和化学品(CO、甲酸盐和碳氢化合物等)是一种高效、绿色的CO2资源化利用新技术.然而,由于CO2分子中双键难以活化,且存在析氢竞争反应,即使对于CO2电还原为CO这一简单反应,除少数贵金属(Au、Ag和Pd及其合金)外,当前大多数电催化剂对产物CO的选择性和活性仍较低.因此,开发高效、稳定且廉价的CO2RR催化剂具有重要意义.过渡金属Ni储量高、成本低,是潜在的CO2RR催化剂.然而,受限于Ni对*H及*CO等中间物种相对强的吸附能力,Ni基催化剂催化生成产物CO的活性和选择性较低.近年来研究表明,通过对Ni基材料进行表面修饰,可以调控Ni表面与中间物种的吸附强度,从而有效提升Ni基催化剂对CO2RR反应的活性和选择性.鉴于此,本文通过N,O共调控的策略对负载于N掺杂介孔碳上的Ni纳米颗粒进行表面修饰,制得的N,O-Ni/CMK3催化剂能够高效、高选择性地将CO2电还原为CO.X射线衍射、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征结果表明,N,O-Ni/CMK3中的Ni纳米颗粒由金属Ni核和N掺杂的NiO壳组成,即Ni纳米颗粒表面被N,O共调控,这种独特的表面使其表现出与金属Ni不同的CO2RR催化性能.电化学测试结果表明,在0.5 M KHCO3电解液中,N,O-Ni/CMK3催化剂表现出较好的选择性(生成CO法拉第效率达97％)、活性(CO分电流密度为13.01 mA cm?1)和转换频率(4.25 s?1).表征结果表明,N,O共同调控的Ni是该催化反应的活性中心.此外,得益于N,O共调控的Ni表面,N,O-Ni/CMK3催化剂比O调控的Ni催化剂具有更好的电化学稳定性.本文通过调节Ni催化剂的表面化学环境来调控催化剂与反应中间物种的吸附强度,显著提高了Ni基催化剂对CO2RR反应的催化活性和CO选择性,为开发高活性、高选择性的过渡金属催化剂提供了新思路.     

直接乙醇燃料电池PtSn/C电催化剂的合成表征和性能

采用多元醇法制备了n(Pt)/n(Sn)比为2:1,3:1,4:1的PtSn/C电催化剂.通过XRD,TEM、循环伏安和氢化学吸附技术对催化剂进行了表征.TEM和XRD结果表明,不同比例的PtSn/C金属粒子的平均粒径均小于4nm,且粒径分布较窄;该系列催化剂中Pt具有fcc结构;PtSn间的相互作用使Pt晶格参数增大.循环伏安和氢化学吸附实验结果表明,加入Sn可抑制Pt对氢的吸附,Pt3Sn/C对乙醇的氧化电流比Pt4Sn/C高约1倍.用不同n(Pt)/n(Sn)比的催化剂作为直接醇类燃料电池阳极电催化剂,在相同条件下,随着Sn含量的增加,单电池最大输出功率逐渐增大,当Sn含量继续增大时,单池性能反而下降.导致不同比例PtSn催化剂活性差别的原因可能是由于Sn与Pt间的合金化程度不同和催化剂粒子尺寸效应及Sn含量对电池阻抗等几方面因素所致.对40h寿命测试前后的阳极Pt3Sn/C催化剂的分析(EnergydispersiveX-rayanalysis,EDX)结果表明,PtSn含量在测试前后均有所降低,PtSn催化剂的寿命尚有待改善.     

多尺度炭材料担载铂作为稳定的电催化剂用于氧还原反应

炭载体的稳定性对于燃料电池电催化剂是至关重要的. 本文中采用酚醛树脂作为前驱体,二氧化硅为模板剂,制备了多介孔且石墨化程度高的炭载体（HGMC）. 相比于商品Vulcan XC-72,HGMC具有中等的比表面积和高的石墨化程度,因此在电位循环扫描过程中具有较高的化学稳定性,然而HGMC碳层堆叠的结构不利于传质. 为克服这一劣势,多壁碳纳米管（MWCNTs）作为隔离物加入至HGMC中以构建具有三维多尺度结构的载体（MSGC）. 与HGMC为载体担载Pt以及商品催化剂Pt/C-JM相比,由于炭载体的具有高稳定性以及三维多尺度结构,MSGC担载Pt后不仅使电催化剂的电化学稳定性提高,且氧还原反应过程中传质得到显著改善.     

制备方法对直接乙醇燃料电池阳极PtSn/C催化剂性能的影响

 对比研究了用三种液相沉积还原法制备的PtSn/C催化剂,并用X射线衍射、透射电镜和程序升温还原等技术表征了催化剂的形貌、结构及组成. 用乙二醇还原法制备的PtSn/C(EG)催化剂的平均粒径最小(约为1.8 nm), 且分布均匀, Sn以多种价态存在于PtSn/C(EG)中. 采用循环伏安法和直接乙醇燃料电池单池评价了三种PtSn/C催化剂对乙醇氧化反应的催化活性,探索了单池性能与催化剂粒径及组成的关系. 结果表明, PtSn/C(EG)催化剂具有较高的催化乙醇氧化活性. 这可能是因为PtSn/C(EG)催化剂的金属粒径较小, Pt晶格发生了适当的扩张以及SnO2能够在较低电位下提供含氧物种的缘故.     

直接甲醇燃料电池电催化剂载体碳纳米带的合成与表征

 以间苯二酚和甲醛为碳前体,合成了一种新型碳纳米材料碳纳米带(CNRs), 并采用透射电镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)及氮气吸附/脱附测试对CNRs进行了结构表征. 结果表明,所合成的CNRs具有很高的石墨化程度及较规则的带状结构,带宽约为8～20 nm, BET比表面积为283 m2/g, 氮气等温线为type-Ⅳ型,表明CNRs为中孔结构,平均孔径约为8.2 nm. 以CNRs为载体通过多元醇法制备了45%PtRu/CNRs电催化剂,该催化剂与以Vulcan XC-72R为载体的PtRu电催化剂相比,直接甲醇燃料电池单池性能得到明显提高.     

用于光电催化水分解的氧化亚铜基光电阴极研究进展

随着不可再生资源的消耗及环境污染日趋严重,开发环境友好、可再生的新能源受到广泛关注。氢可通过燃料电池进行发电,被认为是理想的洁净能源载体。耦合可再生能源,如光能、风能、海洋能等,进行光电水分解制氢是有效途径之一。氧化亚铜(Cu₂O)具有合适的能带结构、制备简单、资源丰富,成为光电阴极半导体的研究热点。然而,Cu₂O光电阴极面临光生电荷复合较快、光腐蚀严重等挑战,导致其光电效率低、稳定性差。本综述首先简要介绍光电水分解制氢原理以及Cu₂O的能带结构适配性,其次总结氧化亚铜的制备方法;重点概述提高Cu₂O光电效率和稳定性的策略,包括形成氧化亚铜-n型半导体p-n结、添加助催化剂、引入空穴传输层等;结合近年来表征技术的发展,介绍先进的光电阴极表征手段;最后,对光电阴极未来的研究方向进行展望。     

碳载氧化锰表面氧还原反应路径研究(英文)

氧还原反应(ORR)是一个复杂的过程,尤其在碱性电解液中,炭载型催化剂表面的ORR路径尤为复杂,因为碳本身可以催化ORR以二电子转移过程发生,产生过氧化氢,继而过氧化氢或者发生化学分解生成氧气(HODR),或者发生电化学还原生成OH(HORR).本文详细研究了ORR在常用氧化锰催化剂表面的反应路径.通过比较HODR和HORR的转换频率发现,尽管利用旋转环盘电极方法得到的表观电子转移数接近4,真实的ORR主要是2电子过程,反应生成的过氧化氢继而大部分发生化学分解生成氧气.该结果有助于理解碱性电解质中炭载型过渡金属氧化物电催化剂对ORR的催化行为.