新型钴-聚吡咯-碳载Pt燃料电池催化剂的制备与表征

采用脉冲微波辅助化学还原法制备了钴-聚吡咯-碳(Co-PPy-C)载Pt催化剂(Pt/Co-PPy-C),其中Pt的总质量占20%.利用透射电镜(TEM)、光电子射线能谱分析(XPS)和X射线衍射(XRD)研究了催化剂的结构,用循环伏安(CV)、线性扫描伏安(LSV)等方法考察了其电化学活性及氧还原反应(ORR)动力学特性及耐久性.Pt/Co-PPy-C电催化剂的金属颗粒直径约1.8 nm,略小于商用催化剂Pt/C(JM)颗粒尺寸(约2.5 nm);催化剂在载体上分散均匀,粒径分布范围较窄.Pt/Co-PPy-C的电化学活性比表面积(ECSA)(75.1 m2·g-1)高于商用催化剂的ECSA(51.3 m2·g-1).XPS测试表明,自制催化剂表面的Pt主要以零价形式存在.而XRD结果显示,自制催化剂中Pt(111)峰最强,Pt主要为面心立方晶格.Pt/Co-PPy-C具有与Pt/C(JM)相同的半波电位;在0.9 V下,Pt/Co-PPy-C的比活性(1.21 mA·cm-2)高于商用催化剂的比活性(1.04 mA·cm-2),表现出更好的ORR催化活性.动力学性能测试表明催化剂的ORR反应以四电子路线进行.CV测试1000圈后,Pt/Co-PPy-C和Pt/C(JM)的ECSA分别衰减了13.0%和24.0%,可见自制催化剂的耐久性高于商用Pt/C(JM),在质子交换膜燃料电池(PEMFC)领域有一定的应用前景.     

钴-聚吡咯-碳载PtNi燃料电池催化剂的制备及应用

采用脉冲微波辅助化学还原合成新型载体钴-聚吡咯-碳(Co-PPy-C)负载PtNi催化剂.利用透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)研究了催化剂的结构和形貌,此外,利用循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)等方法测试了催化剂的电化学活性及耐久性. PtNi/Co-PPy-C催化剂的金属颗粒直径约为1.77 nm,催化剂在载体上分布均匀且粒径分布范围较窄. XRD结果显示, PtNi/Co-PPy-C中Pt(111)峰最强, Pt主要是面心立方晶格.CV结果显示,其电化学活性面积(ECSA)为72.5 m²·g^-1,明显高于商用催化剂Pt/C(JM)的56.9 m²·g^-1.为进一步考查催化剂耐久性,电化学加速5000圈耐久性测试后, PtNi/Co-PPy-C颗粒发生明显集聚, ECSA衰减率和0.9 V下比质量活性衰减率分别为38.2%和63.9%.此外,采用有效面积为50 cm²的单电池用于评价自制催化剂的性能,发现在70 ℃且背压为50 kPa时电池的性能最好,此时自制PtNi/Co-PPy-C催化剂制备膜电极(MEA)的最大功率密度达到523 mW·cm^-2.可见自制催化剂的电化学性能高于商用Pt/C(JM),在质子交换膜燃料电池(PEMFC)领域有一定的应用前景.     

Pt 含量对Co@Pt/C核壳结构催化剂性能的影响

采用两步还原法制得Co@Pt/C核壳结构催化剂, 其中Co与Pt 的总质量分数为20%. 通过改变金属前驱体的用量, 制备了不同Co:Pt 原子比的Co@Pt/C 催化剂, 以20% (w) Co@Pt(1:1)/C 与20% (w) Co@Pt(1:3)/C 表示. 采用透射电镜(TEM)、光电子射线能谱分析(XPS)、循环伏安(CV)、线性扫描伏安(LSV)等方法考察了其结构与性能, 并与实验室早先制备的40% (w) Co@Pt/C 催化剂进行了比较. 自制20% Co@Pt(1:1)/C 与20% Co@Pt(1:3)/C 催化剂的金属颗粒直径约为2.2-2.3 nm, 在碳载体上分散均匀, 粒径分布范围较窄, 电化学活性比表面积(ECSA)分别为56 和60 m²·g^-1, 均超过商用催化剂20% Pt/C(E-tek) (ECSA=54 m²·g^-1). 20%Co@Pt(1:1)/C 与20% Co@Pt(1:3)/C 的半波电位相较于40% Co@Pt(1:1)/C 和40% Co@Pt(1:3)/C 均向正向移动, 表现出更好的氧还原(ORR)催化活性, 并有望降低催化剂的成本, 在质子交换膜燃料电池领域表现出良好的应用前景.     

碳载体的预处理对Pt/C催化剂结构和性能的影响

采用一种新的调变多元醇制备方法,通过调节碳载体热处理条件,制备得到不同的Pt/C燃料电池催化剂。采用pH计及物理吸附仪表征碳黑表面的含氧官能团和比表面积,利用电感耦合等离子光谱、X射线衍射、透射电镜和循环伏安法分别表征催化剂的成分、物相组成、微观组织形貌和电化学性能,并与进口的Johnson Matthey(JM) Pt/C催化剂的性能进行对比。结果表明:采用调变多元醇法,以400 ℃热处理碳黑作载体所制备的Pt/C催化剂的电化学比表面积达到83 m²·g^-1,质量电流密度为49.03 A·g^-1。而进口催化剂JM 20% Pt/C的电化学比表面积为77 m²·g^-1,质量电流密度仅11.13 A·g^-1,自制催化剂即使Pt载量降低3wt%~4wt%,其电催化活性仍优于进口催化剂。     

氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及其氧还原性能

采用软模板法制备了氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料（WN-W/NOMC）,作为一种高比表面积且价格低廉的阴极氧还原反应催化剂。通过适量添加尿素来改变复合材料中的氮含量,在掺氮量为7%（w/w）时,实验发现材料能够保持完整有序介孔结构,测试其比表面积高达835 m²·g^-1,透射电子显微镜（TEM）测试结果显示其催化颗粒均匀地分散在氮掺杂有序介孔碳载体上。在O₂饱和的0.1 mol·L^-1 KOH溶液中测试了材料的氧还原催化性能（ORR）,显示其起始电位为0.87 V（vs RHE）,极限电流密度为4.49 mA·cm^-2,氧还原反应的转移电子数为3.4,接近于20%（w/w）商业Pt/C的3.8,说明该材料表现出近似4电子的氧还原反应途径。研究结果表明,WN-W/NOMC的催化性能虽然稍弱于商业铂碳（0.99 V,5.1 mA·cm^-2）,但其具有远超铂碳的循环稳定性和耐甲醇毒化能力。     

凹形树突状PtCu纳米催化剂的合成及对甲醇的电催化

以邻苯二胺为表面活性剂,通过水热釜法一步制备凹形树突状PtCu双金属纳米催化剂(PtCu NCDs)。PtCu NCDs在电催化甲醇氧化(MOR)的应用中表现出非常高的活性和很强的抗有毒中间体作用。PtCu NCDs对于甲醇氧化的质量活性为(0.53 A·mg^-1 Pt)是商业Pt/C(0.26 A·mg^-1 Pt)的2.04倍。从比活性的CV曲线图对比发现PtCu NCDs(1.07 mA·cm^-2)是商业Pt/C(0.55 mA·cm^-2)的1.95倍。而且,PtCu NCDs(2.76)比商业Pt/C催化剂(1.02)表现出更高的I_f/I_b比值。这些优异的电催化活性可能归功于PtCu NCDs特殊的凹形树突状形貌。     

凹形树突状PtCu纳米催化剂的合成及对甲醇电催化的研究

以邻苯二胺为表面活性剂,通过水热釜法一步制备凹形树突状PtCu双金属纳米催化剂(PtCu NCDs)。PtCu NCDs在电催化甲醇氧化(MOR)的应用中表现出非常高的活性和很强的抗有毒中间体作用。PtCu NCDs对于甲醇氧化的质量活性为(0.53 A·mg^-1 Pt)是商业Pt/C(0.26 A·mg^-1 Pt)的2.04倍。从比活性的CV曲线图对比发现PtCu NCDs(1.07 mA·cm^-2)是商业Pt/C(0.55 mA·cm^-2)的1.95倍。而且,PtCu NCDs(2.76)比商业Pt/C催化剂(1.02)表现出更高的I_f/I_b比值。这些优异的电催化活性可能归功于PtCu NCDs特殊的凹形树突状形貌。     

脉冲微波辅助化学还原合成Pt/C 催化剂及其电催化氧还原性能

采用脉冲微波辅助化学还原法制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用Pt/C 催化剂. 通过透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等分析技术对催化剂的微观结构和形貌进行了表征, 并利用循环伏安(CV)、线性扫描(LSV)和恒电位测量等方法评价了催化剂催化氧还原性能. 在此基础上制备了膜电极(MEA)并组装成单电池, 考察了制备的Pt/C 催化剂作为阴极催化剂材料的电催化性能. 结果表明, 脉冲微波辅助化学还原法是一种制备PEMFC催化剂的有效方法, 溶液pH值和微波功率对Pt 颗粒直径和分散有重要影响. TEM和XRD结果显示, 当溶液pH值为10 且微波功率为2 kW时, Pt 纳米粒子较均匀地分散在碳载体上, 粒径分布在1.3-2.4 nm之间, 平均粒径为1.8 nm. CV、LSV和恒电位测试结果表明, 该催化剂电化学比表面积(ESA)为55.6 m²·g^-1, 具有良好的催化氧还原反应活性和稳定性. 单电池测试结果表明, 在溶液pH值为10条件下, 微波功率为2 kW时制备的催化剂作阴极催化剂时, 单电池最高功率密度为2.26 W·cm^-2·mg^-1, 高于微波功率为1 kW时的最高功率密度(2.15 W·cm^-2·mg^-1)和Johnson Matthey催化剂的最高功率密度(1.89 W·cm^-2·mg^-1).     

高活性、低载量的PtCo/C质子交换膜燃料电池催化剂的合成

利用逐步合成的方法,合成了一系列不同量硝酸处理的PtCo/C催化剂。通过燃料电池测试装置对催化剂进行了测试,结果表明PtCo/C催化剂在较低载量情况下,有着很好的性能：在50 kPa背压下,0.9 V下的电流密度达到44 mA·cm^-2,0.8 V下的电流密度超过300 mA·cm^-2;200 kPa背压下,最高功率密度超过1 300 mW·cm^-2。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）对合成的PtCo/C催化剂的形貌、组成进行了表征。XRD结果表明,催化剂中,Pt以Pt₃Co和Pt颗粒形式存在。燃料电池测试结果表明,这一系列的催化剂中,经2 mL质量分数65%的浓硝酸配制的水溶液处理过的PtCo/C催化剂,具有最好的燃料电池性能以及良好的稳定性。     

氮掺杂石墨烯的制备及其对氧还原反应的电催化性能

以氧化石墨烯（GO）为原料、丙酮肟（DMKO）为还原剂和氮掺杂剂,采用化学还原法制备了不同氮掺杂含量的石墨烯（NG）. 利用场发射透射电子显微镜（FETEM）、紫外-可见（UV-Vis）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、X射线光电子能谱（XPS）、zeta 电位和纳米粒度分析、循环伏安（CV）和旋转圆盘电极（RDE）等手段对材料的形貌、结构、成分和电化学性质进行表征. 结果显示：DMKO能有效地还原GO,且通过调节GO与DMKO的质量比,可以得到不同还原效果的NG,其氮含量范围为4.40%-5.89%（原子分数）;GO与DMKO的质量比为1：0.7时制备的氮掺杂石墨烯（NG-1）在O₂饱和0.1 mol·L^-1 KOH溶液中对氧还原反应（ORR）的电催化性能最佳,其ORR峰电流为0.93 mA·cm^-2,电子转移数为3.6,这归因于其较高含量的吡啶-N增加了材料的ORR活性位点. 此外,石墨化-N由于其较高的电子导电性倾向于产生较高的氧还原峰电流,而吡啶-N较低的超电势倾向于产生较正的氧还原峰电位. 与商用Pt/C相比,该材料展现出了优异的抗CH₃OH“跨界效应”的特性.     

钴-聚吡咯-碳载Pt催化剂的制备及其单电池性能研究

采用脉冲微波辅助化学还原法制备了钴-聚吡咯-碳载Pt催化剂(Pt/Co-PPy-C),并将其作为阴极催化剂,组装单电池。考察了电池运行温度和氢气/空气计量比对单电池性能的影响,并与商业Pt/C催化剂进行了耐久性实验比较。 结果表明,运行温度为70 ℃,氢气与空气的计量比为1.2:2.5时单电池性能最佳。600 mA/cm²恒电流稳定运行150 h耐久性测试中,以Pt/Co-PPy-C为阴极催化剂的单电池平均电压衰退率为0.119 mV/h,是商业Pt/C催化剂的26%。耐久性测试前后,单电池的阴极电荷传递阻抗为7.176和8.767 Ω,均比商业Pt/C催化剂阻抗小;Pt颗粒粒径从2.46 nm增长到3.18 nm,均小于商业Pt/C催化剂的粒径。这表明,以Pt/Co-PPy-C催化剂为阴极催化剂制备的单电池性能优良,在质子交换膜燃料电池中有广泛的应用前景。     

质子交换膜燃料电池Pd修饰Pt/C催化剂的电催化性能

通过对Pt催化剂表面进行Pd修饰提高质子交换膜燃料电池阴极催化剂的氧还原反应(ORR)活性. 采用乙二醇还原法制备了不同比例的Pd修饰Pt/C催化剂. 透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明, 制备的催化剂贵金属颗粒粒径主要分布在1.75～2.50 nm之间, 并均匀地分散在碳载体表面. 循环伏安方法(CV)研究表明Pd修饰Pt/C催化剂的电化学活性面积低于传统的Pt/C催化剂. 但通过旋转圆盘电极(RDE)测试研究发现, 制备的催化剂具有比传统Pt/C催化剂高的ORR活性.     

Improved lifetime of PEM fuel cell catalysts through polymer stabilization

A novel approach to increase lifetime of Pt/C catalysts was demonstrated and shown that Nafion-stabilized Pt catalyst (denoted here as Nafion-Pt/C) synthesized by a colloid route gives rise to an enhanced durability as compared to a conventional Pt/C catalysts commonly used in PEM fuel cell. A high catalytic activity of the catalyst is also observed by both CV (cyclic voltammetry) and ORR (oxygen reduction reaction) measurements. This catalyst durability in comparison with conventional Pt/C is increased directly by electrochemically-accelerated durability test (ADT). The loss rate of electrochemical active area (ECA) for Nafion-Pt/C catalysts is only 0.004 m² g⁻¹ cycle⁻¹, compared to a value of 0.012 m² g⁻¹ cycle⁻¹ for Pt/C. This indicates the catalyst is three times higher durability than Pt/C.     

管径对碳纳米管负载铂催化剂氧还原的影响

A series of nanocatalysts consisting of acid treated carbon nanotubes (CNTs) with different diameters (8-15, 20-30, 30-50, >50 nm) supporting platinum (Pt) nanoparticles (Pt/CNTs) were synthesized via a microwave-assisted ethylene glycol method. The as-synthesized catalysts were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), and transmission electron microscopy (TEM). Their catalytic performances in the oxygen reduction reaction (ORR) were evaluated by cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV). The experimental results showed that the diameter of the CNTs influences the particle size, loading, and dispersion of Pt NPs. Furthermore, the Pt/CNTs having different CNT diameters displayed different catalytic activities in the ORR. The catalyst Pt/CNT₈, which was prepared by using CNTs with diameters ranging between 8-15 nm as the support, exhibited the highest Pt loading, catalytic activity, and stability in the ORR. The mass activity of Pt/CNT₈ was determined to be 0.188 A·mg^-1 at 0.9 V, which is folds higher than that of the commercially available JM Pt/C catalyst. After testing the stability for 5000 potential cycles, the negative shift (~7 mV) of the half-wave potential for Pt/CNT₈ was found to be significantly lesser than that for the JM Pt/C catalyst (~32 mV), indicating superior catalytic stability.     

Pt纳米线阵列的氧还原催化性能

采用阳极氧化铝(AAO)模板法电化学沉积制备了Pt纳米线阵列(Pt NWs)氧还原催化剂, 通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和电化学测试对Pt纳米线阵列催化剂的形貌和电催化性能进行了表征. 循环伏安法(CV)研究表明Pt纳米线阵列催化剂的电化学活性面积大于其几何面积; 旋转圆盘电极(RDE)测试研究发现, 制备的Pt纳米线阵列催化剂的氧还原反应(ORR)曲线的半波电势相对Pt/C的有正移, 并且Pt纳米线阵列催化剂的极限扩散电流比Pt/C大.     

Fe-N/C-TsOH催化剂应用碱性介质催化氧还原的电催化活性

通过溶剂分散热处理方法制备了一种吡咯和对甲苯磺酸(TsOH)共同修饰的碳载非贵金属复合催化剂(Fe-N/C-TsOH),并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂的形貌和组成成分进行表征. 借助循环伏安法(CV)和旋转圆盘技术研究了TsOH对催化剂在0.1 mol·L^-1 KOH介质中催化氧还原性能的影响. 结果表明：TsOH的存在对催化剂催化氧还原反应(ORR)的活性影响很大. 以其制备的气体扩散电极在碱性电解质溶液中催化氧还原过程时转移的电子数为3.899,远比不含TsOH修饰的催化剂催化氧还原的电子数(3.098)高. 此外,研究发现600 ℃热处理过的Fe-N/C-TsOH催化剂表现出最佳的氧还原催化性能. 相比未经热处理过的Fe-N/C-TsOH催化剂,起峰电位和-1.5 mA·cm^-2电流密度对应的电压分别向正方向移动30 和170 mV. XPS研究结果表明吡咯氮是催化剂主要活性中心,提供氧还原活性位,而TsOH加入形成的C―S_n―C和―SO_n―有利于催化剂催化氧还原活性的提高,从而使该催化剂对氧还原表现出很好的电催化性能和选择性.     

用于燃料电池Co@Pt/C核壳结构催化剂的制备及表征

采用两步化学还原法制备了Co@Pt/C电催化剂, 并在还原气氛下对催化剂进行热处理. 通过高分辨透射电镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂的微观结构和形貌进行表征. 结果表明: 形成的Co@Pt/C催化剂具有核壳结构, 金属纳米颗粒均匀负载于碳上, 其粒径分布范围较窄; 热处理对催化剂的结构和形貌有较大影响. 利用循环伏安(CV)法和线性伏安扫描(LSV)法表征催化剂的电化学活性、氧还原反应(ORR)动力学特性及耐久性. 制备的Co@Pt/C催化剂在电解质溶液中表现出良好的电化学性能, 核壳结构的形成有助于提高Pt 的利用率. 动力学性能测试表明催化剂的ORR反应以四电子路线进行. 相比于合金催化剂,核壳结构催化剂的耐久性和稳定性有很大程度的改善.     

不同结构及氮掺杂NiO/rGO氧还原催化剂的制备与性能研究

本文以还原氧化石墨烯（rGO）为载体制备了片状NiO/rGO和球形NiO/N-rGO结构的氧还原催化剂. 通过X-射线衍射（XRD）、Raman（拉曼）测试、X-射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等方法表征了两种催化剂的结构和形貌. 采用循环伏安法（CV）、Tafel曲线、线性扫描伏安法（LSV）、旋转圆盘电极（RDE）和旋转环盘电极（RRDE）等技术测试研究了两种催化剂的电化学催化氧还原性能. 研究结果表明,球形NiO/N-rGO催化剂催化氧还原的峰电流密度和起始电位（0.89 V vs. RHE）与商业化的Pt/C（20%）催化剂相近. 旋转圆盘电极（RDE）和旋转环盘电极（RRDE）测试证明,在碱性电解液中NiO/rGO和NiO/N-rGO催化的氧还原反应均主要通过4?鄄电子途径反应途径发生,球形NiO/N-rGO催化剂展现出替代Pt/C基催化剂的潜力.