低铂质子交换膜燃料电池氧还原催化剂的研究进展与展望

Pt基催化剂是氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)最有效的催化剂,然而有限的Pt资源和高Pt载量严重制约了质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)的规模化应用.开发同时具有低Pt含量、高活性的ORR催化剂是推动PEMFCs大规模商业化的有效途径.本文从纯Pt催化ORR的机理出发,对当前研究中具有优异性能的均匀Pt合金催化剂和核-壳结构Pt基催化剂的ORR催化机理进行了阐述,并概述了其研究进展、研究策略和制备方法.尽管目前的研究致力于对Pt基纳米颗粒的形貌、粒径、元素组成和晶面等进行精确设计和调控,并在实验室层面实现了活性和耐久性的显著提升,但是现有常用制备方法存在的问题使得其商业化生产无法取得突破进展.最后对Pt基催化剂的规模化制备提出了见解,并对其前景进行了展望.     

甲醇在CoPc-Pt/C复合催化剂上的电氧化行为

运用电化学方法研究了甲醇在以浸渍法制备的CoPc-Pt/C复合催化剂上的电氧化行为. 循环伏安(CV)和计时电流(CA)测试结果显示, CoPc-Pt/C显示出良好的催化甲醇电氧化活性, 具有较高的正扫峰电流密度, j_f /j_b比值(正扫峰电流密度/回扫峰电流密度), 及高的暂态电流、稳态电流. 这是由于CoPc-Pt/C复合催化剂具有抗中间产物中毒的性能, 能有效减弱催化剂的自毒化效应; 甲醇在CoPc-Pt/C复合催化剂上电氧化的表观活化能是18 kJ·mol^-1, 远低于Pt及PtRu催化剂, CoPc-Pt/C具有优秀的本征催化活性.     

低温高效催化湿式氧化处理甲醛废水Pt/MnO2催化剂

研究了MnO_2形貌对Pt/MnO_2催化剂催化湿式氧化(catalytic wet air oxidation, CWAO)处理甲醛废水性能的影响.结果表明, Pt/C-MnO_2(蚕茧状MnO_2负载Pt)催化剂具有优异的CWAO处理甲醛废水的催化性能.即使在50°C,Pt/C-MnO_2的甲醛矿化率高达88.1%,连续反应4次后,甲醛矿化率稳定在80%以上. Pt/R-MnO_2(棒状MnO_2负载Pt)和Pt/S-MnO_2(片状MnO_2负载Pt)催化剂活性较低,且随着反应的进行而逐渐失活,连续使用4次后,甲醛矿化率分别由初始的82.2%和82.4%降低至最终的16.3%和35.6%.分散度测定结果表明, Pt/C-MnO_2催化剂的Pt具有更好的分散性. X射线光电子能谱和氧气程序升温脱附结果表明, Pt/C-MnO_2催化剂具有更丰富的表面氧物种.氢气程序升温还原结果表明, Pt/C-MnO_2催化剂具有更低的还原温度和更强的氧化能力.电感耦合等离子体发射光谱结果表明,Pt/C-MnO_2催化剂具有更好的抗流失性能.高的分散度、丰富的表面氧物种、强的氧化能力和良好的抗流失性能是Pt/C-MnO_2催化剂具有优良催化性能的主要原因.     

石墨炔负载金属原子催化剂研究进展

金属原子催化剂实现了原子百分之百利用率,具有高选择性和高活性等特点.但由于单个原子表面能大,容易团聚成纳米颗粒,稳定金属原子催化剂的制备对基底提出了较高的要求.石墨炔的特殊结构使其成为一种潜在的金属原子催化剂载体.石墨炔是一种由sp~2和sp杂化碳原子共同组成的新型碳的同素异形体.由于碳碳三键具有线性、无顺反异构和高共轭性等优点,使得石墨炔具有类似石墨烯的二维平面结构,同时具有高导电性、高比表面积、结构稳定等优异性质.石墨炔结构中的sp杂化碳原子能与金属原子形成强的共价键,从而使金属单原子能稳定存在石墨炔结构中;因此石墨炔是一种理想的金属原子催化剂载体.本文从石墨炔负载金属原子催化剂的结构出发,论述了石墨炔负载金属原子催化剂的研究进展,包括石墨炔负载金属原子催化剂的结构、制备方法、表征手段,重点论述了石墨炔负载金属原子催化剂在电化学催化领域的理论和实验进展.实验证明石墨炔负载的贵金属(Pt和Pd)原子催化剂以及过渡金属原子(Ni和Fe)催化剂都具有优异的电化学催化活性和循环使用性能.     

燃料电池用碱性阴离子交换膜链结构调控研究进展

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFCs)因氧还原动力学快、可使用非Pt催化剂、成本低等优点迅速发展成燃料电池的重点研究领域.作为AAEMFCs的核心组件,碱性阴离子交换膜(AAEMs)的性能直接影响着燃料电池的输出性能和使用寿命.为保证燃料电池高效、稳定、长时间的运行,AAEMs应具备高的离子电导率、尺寸及化学稳定性.但目前开发的膜尚难同时满足这些要求,在实际应用中依然面临阴离子传输效率与尺寸稳定性难以兼顾、碱性稳定性较差等问题.本文将结合近年来国内外及本课题组的研究进展,梳理AAEMs发展中存在的关键问题与解决思路,展望未来的发展方向.     

垂直石墨烯负载镍铁纳米颗粒的制备及其析氧性能

传统化石燃料的快速消耗给环境造成了严重的危害,氢气(H₂)等清洁能源受到广泛关注.电催化水裂解制氢是最有希望的制氢技术之一,但是因其阳极析氧反应(OER)具有缓慢的动力学,而且常用的RuO₂和IrO₂等催化剂价格昂贵,储量有限,所以开发价格低廉而且具有优异催化活性和稳定性的OER催化剂显得十分重要.过渡金属Ni储量丰富,抗腐蚀性能优异,人们已经将它和Fe结合,制备出可高效催化OER的镍-铁(Ni-Fe)氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物以及Ni-Fe合金.本文首先利用等离子体辅助化学气相沉积技术(PECVD)制备出垂直石墨烯纳米片(VG),然后以该纳米片为基底,在其表面利用电沉积法制备Ni-Fe合金纳米颗粒.通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、Raman、能量色散光谱仪(EDS)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析其形貌特征和成分,并利用电化学工作站表征其作为OER催化剂的电催化性能.结果表明,所制备的纳米催化剂具有优异的性能,在1 mol L^–1的KOH溶液中,电流密度为10 mA...     

用于提升金属-氮-碳催化剂氧还原活性的双金属自旋态调控策略

因其高的电导率和独特的金属-配体相互作用,过渡金属-氮-碳(M-N-C)催化剂具有优异的氧气还原(ORR)催化性能,在燃料电池、金属空气电池等能源电催化领域展现出很大的应用潜力[1],被认为是替代商业Pt/C催化剂的极具潜力的新型催化剂.因此,如何构建高性能的M-N-C催化剂,使其性能接近或超越Pt/C催化剂,成为其替...     

铁钌磷化物纳米材料的制备及其电催化析氢性能

过渡金属磷化物是一种优良的析氢反应(HER)催化剂,因其成本低、制备方法简单受到了广泛的关注.本研究采用两步法制备了一系列铁钌磷化物(FeRu-P)纳米材料,并通过线性扫描伏安法(LSV)评估催化剂在酸性体系中的HER催化性能.结果表明,当Fe/Ru比为3:7时催化剂具有最优和稳定的析氢催化性能,取得10 mA/cm~2电流密度的过电位(η10)仅为31 mV, Tafel斜率为37.98 mV/dec,与商业化的Pt/C非常接近.对其形貌、结构和组分的表征结果显示,该催化剂优良的催化性能可归因于其二维纳米片形貌, Fe-Ru的协同作用以及相对较高含量的催化活性组分.     

Pt纳米微粒电极上CO吸附的电化学循环伏安和原位FTIR反射光谱

用化学还原法制备铂金属纳米微粒. 经TEM表征纳米Pt微粒的平均直径为2.5 nm. 应用电化学循环伏安法研究了该纳米微粒电极的电化学性质, 与本体Pt相比, 吸附在Pt纳米微粒表面CO的氧化电流峰较宽. 原位傅里叶变换红外反射光谱检测到Pt纳米微粒电极表面的孪生吸附态CO, 以及随电极电位变化线型吸附和孪生吸附态CO向桥式吸附态CO的转化过程. 还发现了Pt纳米微粒上吸附态CO的增强红外吸收等一系列特殊性能.     

C/CoNi_2S_4对电极的染料敏化太阳能电池性能

为了降低染料敏化太阳能电池的生产成本,促进其未来的大规模应用,开发能够替代Pt的高效对电极材料成为新的研究热点.本文将静电纺丝法和水热法结合,成功合成了碳纤维与CoNi_2S_4纳米复合材料,利用喷涂技术在掺杂氟的透明导电玻璃(FTO)上制备了C/CoNi_2S_4薄膜作为对电极.扫描电子显微镜(SEM)对C/CoNi_2S_4的形貌进行了表征,结果表明Co Ni2S4颗粒成功地负载在碳纤维表面;X射线衍射(XRD)结果显示除了C和Co Ni2S4没有其他杂相出现.以C/CoNi_2S_4作为对电极的电池效率达到了4.46%,接近于Pt对电极的效率(5.34%).     

Cocore-Pdshell / C nano-catalyst for electro-catalytic oxygen reduction performance

直接甲醇燃料电池(DMFC)具有功率密度高、能量转化效率高和燃料易于携带等优点,是一种极具竞争潜力的便携式、可移动能源.然而,DMFC商业化尚存在一些问题.就阴极而言:一是阴极催化剂高的过电位和高的Pt用量;二是透过质子交换膜从阳极渗透到阴极的甲醇造成阴极“混合电位”效应,导致阴极过电位增加了0.2～0.3V,电池效率下降约1/3.核壳结构的双金属催化剂作为一种新型催化剂,它具有包覆层金属和金属核的双层物化性能,不仅拥有合金型催化剂的反应活性和选择性,而且在酸性介质中可以避免过渡金属的溶解,使得催化剂的性能得到改善.开发并研究核壳型的电催化剂是减小混合过电位、降低电池成本的重要手段.     

基于过渡金属大环分子的电化学二氧化碳还原研究进展

利用电化学方法还原二氧化碳(CO₂RR)制备高附加值化学品是实现碳中和的重要途径.开发具有低成本、高性能的电催化剂是该技术发展的核心关键.在众多CO₂还原候选材料中,过渡金属卟啉、酞菁等大环分子化合物因具有结构明确和功能可调等特点,在实现高效CO₂RR催化性能和探究结构-性能内在关系等方面表现出良好的发展潜力.基于此,本文总结了过渡金属大环分子催化剂电化学CO₂还原制备碳一(C₁)产物的最新研究进展.首先,重点讨论了不同改性策略及电解池设计对于生成一氧化碳的选择性、稳定性、单位催化活性以及电流密度等性能的影响.随后,探讨了分子催化剂在生成甲醇和甲烷等多电子还原产物的催化潜力.最后,聚焦该材料体系在实际应用中面临的关键挑战,对该领域未来的研究发展方向进行了讨论与展望.     

血液热解聚合物的结构变化及其氧还原反应电催化性能

<正>空气电极中的氧还原反应(ORR)控制和影响着燃料电池(或金属燃料电池)的综合性能.当前使用铂催化剂是加速ORR迟缓动力学最有效的方法,但金属铂资源匮乏、价格昂贵,极大地阻碍和限制了燃料电池的商业化发展.为此,开发出具有低成本、高催化性能和稳定性等特点的新型非铂ORR催化剂对快速实现燃料电池商业     

Pt/L及Pt/β沸石中Pt的自还原研究

Pt/L沸石催化剂对正己烷芳构化有很高的活性及选择性,关于其机理众说不一.Der-ouane等人把它的这种优越性能归因于L沸石具有特殊孔道结构,可使极小的Pt颗粒稳定地存在.但是,当他们研究非孔性材料Mg(Al)O载Pt后,却意外地发现其催化正己烷芳构化性能与Pt/L相当.至今为止,人们对Pt/L催化剂中沸石载体的作用还没有一致的认识. 最近我们研究了Pt(NH_3)_2Cl_2/Kβ沸石的分解还原行为,发现在300℃分解时发生自还原,即在非还原气氛中,Pt～(2 )离子可被解离的配体NH_3预先还原而生成Pt～0原子,从而导致Pt颗粒在H_2还原过程中聚结长大.本文采用TPR,CO-FTIR和~(129)Xe NMR等方法检测沸石中的Pt物种.结果首次表明,在Pt(NH_3)_2Cl_2/KL沸石的分解过程中由于未曾发生自还原现象,因而获得高分散的Pt颗粒并且具有很好的芳构化性能     

二氧化碳电化学还原概述

在过去的几十年里,二氧化碳(CO_2)电化学还原技术的迅猛发展越来越引起国际国内的广泛关注。此技术可以利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源及核电/水电的弃电,将温室气体CO_2还原为低碳燃料和有经济价值的化学品。这一技术可以促进废弃物(气体)利用以实现能源储存与转换,变废为宝,被认为是一种绿色环保、有发展潜力的CO_2处置方法。使用的催化剂和电解质不同,CO_2电化学还原过程给出的产物也不尽相同。本文概述了CO_2电化学还原的原理以及催化剂、电解质和反应器的发展现状。     

离子束活化氢电极在碱中的催化性能

研究析氢活性电极对燃料电池、氢能和氯碱等电化学工业有重要实际意义,对查明电催化过程和析氢机理有重要理论价值.提高析氢阴极的活性和稳定性是电化学领域中最引人注目的课题之一.国内外研究十分活跃.作者应用离子束技术得到高活性析氢阴极,开辟了离子束化学的新方向.近来作者采用Mo、W和C离子束对Ni、Mo和W组成的表面合金进行改性,得到一系列在酸性介质中稳定的高活性新型析氢电极,本文报道这些电极在碱性介质中的行为.     

MOF衍生N-CoFe-C@NF多级结构用于可充放锌-空气电池

锌-空气电池作为一种兼具成本低、容量高、环境友好等优点的高效储能器件,具有1084 Wh/kg的理论能量密度,甚至高于传统锂离子电池.锌-空气电池主要受限于其空气电极材料氧还原(ORR)和析氧反应(OER)缓慢的动力学,因此大量的研究都集中在如何优化其催化活性上.目前应用最广泛的ORR和OER的催化剂分别是Pt/C和RuO2,但是其高昂的价格和稀缺性使其应用受限.金属有机框架(MOF)是金属阳离子或阳离子团簇与有机配体配位形成的配位聚合物,具有高比表面积与结构可调控性等优势,经高温煅烧后可以获得结构各异且异原子掺杂(例如氮掺杂)的碳化物材料,展现了优良的ORR和OER催化活性,成为电催化领域的研究热点.类普鲁士蓝是一种典型的MOF材料,具有成分易调控、合成方法简单等优点.本研究通过氢氧化钴纳米棒的原位转化制备负载在泡沫镍上的钴铁双金属类普鲁士蓝,并以此为前驱体制备了氮掺杂钴铁双金属碳化物催化剂;使用扫描电子显微镜(SEM)、X光衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)等手段对样品进行表征;使用旋转圆盘电极、线扫描等测试材料研究其对ORR和OER催化性能的影响.结果表明,所制备的氮掺杂钴铁双金属碳化物催化剂具备较好的ORR和OER活性.在0.1 mol/L KOH溶液中, ORR半波电位为0.81 V; 1.0 mol/L KOH中, OER电流密度达到10 mA/cm~2时,过电位为300 mV.该材料作为空气电极催化剂组装锌-空气电池,开路电压为1.29 V,且具备较好的稳定性和循环性.     

双金属催化剂的XPS研究与本底的扣除

近来,现代表面技术X-射线光电子能谱(XPS)与其他物理化学技术结合,表征高分散双金属催化剂,如Pt—Sn/Al_2O_3受到极大的注意。随着研究的深入,越来越多的数据表明,催化剂中的Sn仍是以氧化态存在,并非与Pt产生合金化作用。但是,无论是持Sn与Pt产生合金化作用观点的研究者,或是持有Sn并非以Sn(0)存在的科学研究人员,报道的试验结果还存在着不小的分岐。有时,即使所用的研究手段极其相似也存在着这种现象。我们认     

新型酞菁高温热解沉积法制备燃料电池专用纳米碳球载铂催化剂

用新型酞菁高温热解气相沉积法制备了碳纳米球. 碳纳米球的外表面进行了功能化处理, 在此基础上制备了碳球载铂催化剂. 碳球载铂催化剂用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、Raman光谱、能量色散谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等方法进行了表征. 将所制得的碳球载铂催化剂与质子膜组装成膜电极组(MEA). 实用的放电曲线表明: 纳米碳球载铂是燃料电池的优良催化剂, 活性高, 寿命征兆好.     

纳米铂钯合金膜电极上CO吸附的异常红外效应

彩和电化学循环伏安共沉积方法在玻碳基底上制备纳米级厚度的纳米铂钯合金膜电极（nm-PtPd/GC）,扫描隧道电子显微镜（STM）观察发现,PtPd合金膜由椭圆形层状晶体组成,电化学原位红外反射光谱显示出吸附在nm－PtPd／GC电极上的CO的红外吸收显著增强、谱峰方向与在Pt、Pd电极表面得到谱峰方向相反、半峰宽明显增加等异常红外效应的特征,测得的红外增强吸收因子随PtPd合金膜厚度的增加发生变化,在实验条件下最大达到38．3。