碳化硅和碳化硼在电催化中的应用

燃料电池是具有广泛应用前景的新能源技术。碳载铂基催化剂(Pt/C)是最常用的燃料电池电极催化剂,不过Pt/C稳定性较差、且成本高昂,严重限制了燃料电池的规模化应用。共价型碳化物碳化硅和碳化硼,由于具有极强的共价键,其物化稳定性优异,成为制备高稳定性、低成本的燃料电池催化剂的重要基础材料。本文总结了相关研究成果,介绍了碳化硅和碳化硼的独特优势,讨论了相关研究的发展方向。     

质子交换膜燃料电池催化剂稳定化方法研究进展

Pt/C催化剂稳定性是制约质子交换膜燃料电池商业化的关键技术挑战之一,因此增强燃料电池催化剂稳定性研究一直是该领域的热点。指出Pt纳米粒子的溶解再沉积、团聚长大,中间物种在Pt表面的吸附钝化,有害杂质中毒及碳载体腐蚀是Pt/C催化剂稳定性衰减的主要因素,概述了近些年提高质子交换膜燃料电池催化剂稳定性的研究进展。指出Pt合金化、采用更稳定载体及进一步加强金属载体间相互作用是增强催化剂稳定性的发展方向。     

具有高活性和突出的抗中毒性能的Pt修饰Ru/C催化剂的制备和表征(英文)

采用两步浸渍-还原法制备了一种具有高Pt利用效率,高性能的Pt修饰的Ru/C催化剂(Ru@Pt/C).对于甲醇的阳极氧化反应,该催化剂的单位质量铂的催化活性分别为Pt/C、自制PtRu/C和商业JMPtRu/C催化剂的1.9、1.5和1.4倍;其电化学活性比表面积分别为Pt/C和自制PtRu/C的1.6和1.3倍.尤为重要的是该催化剂对甲醇氧化中间体具有很好的去除能力,其正向扫描的氧化峰的峰电流密度(If)与反向扫描氧化峰的峰电流密度(Ib)之比可高达2.4,为Pt/C催化剂的If/Ib的2.7倍,表明催化剂具有很好的抗甲醇氧化中间体毒化的能力.另外,Ru@Pt/C催化剂的稳定性也高于Pt/C、自制PtRu/C和商业JMPtRu/C催化剂的稳定性.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征,Pt在Ru表面的包覆结构得到了印证.Ru@Pt/C的高铂利用效率、高性能和高抗毒能力使其有望成为一种理想的直接甲醇燃料电池电催化剂.     

应用于氧还原反应的石墨烯-无定形碳核壳结构复合材料载铂催化剂(英文)

采用氯化法制备石墨烯-无定型碳复合材料(GNS@a-C),并用作质子交换膜燃料电池(PEMFC)氧还原反应Pt催化剂的载体.结果显示,所制Pt/GNS@a-C催化剂与传统商业催化剂Pt/C相比,有较好的活性和较高的稳定性:质量活性(0.121 A/mg)几乎是Pt/C(0.064 A/mg)的两倍.更重要的是,该新型催化剂加速4000圈后其电化学活性面积保留了最初的51%,与Pt/C的33%相比,前者有更好的电化学稳定性,显示它在PEMFC中将具有较好的应用潜力.     

微波辅助溶剂热法制备Pt/石墨烯-TiO2及其催化性能

质子交换膜燃料电池具有比能量高、结构简单、工作温度低、高效清洁和安静无摩擦等优点,是一种非常具有发展前景的电源.燃料电池借用电催化剂把燃料与氧化剂中的化学能转化为电能,通常采用碳粉负载的Pt催化剂.在燃料电池的工作环境下,碳粉载体容易腐蚀和团聚,降低了催化剂活性和稳定性,进而降低了燃料电池的使用寿命.因此,探索高稳定性的催化剂载体有利于提高催化剂的稳定性,促进燃料电池的实用化进程.为增强催化剂载体的抗腐蚀能力,一些金属氧化物如SnO2,WO3,CeO2和TiO2等被用作催化剂载体.其中,TiO2因具有稳定的化学性能以及与金属之间的"强相互作用"而备受研究者关注.但TiO2载体比表面积小和导电能力弱等缺点限制了它在燃料电池中的应用.石墨烯具有卓越的导电性和比表面积,却容易发生团聚.利用TiO2与碳材料间存在的协同作用,将TiO2与石墨烯复合来制备复合载体,能够增强TiO2的导电能力,抑制石墨烯的团聚,提高催化剂载体的化学稳定性和比表面积.本文采用微波辅助溶剂热法制备了石墨烯-TiO2复合载体和Pt/石墨烯-TiO2催化剂,研究了TiO2含量对催化剂活性和稳定性的影响.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对制备的样品进行了微观结构和成分表征.结果表明,Pt/石墨烯-TiO2催化剂中TiO2为立方状纳米颗粒,粒径约为60 nm,均匀地分布在石墨烯上;Pt纳米粒子倾向于锚定在TiO2与石墨烯之间,而且分布均匀.采用线性伏安扫描(LSV)和循环伏安法(CV)测试了不同TiO2含量的Pt/石墨烯-TiO2催化剂的活性和稳定性.发现TiO2的加入确实能够提高催化剂的稳定性,随着TiO2含量的提高,催化剂稳定性增加.当TiO2含量为20%时,催化剂的起始电压与极限电流均与Pt/C催化剂接近.经过循环伏安扫描3000圈的快速老化测试后,Pt/石墨烯-TiO2催化剂起始电压的负移明显低于Pt/C催化剂,呈现了优良的稳定性和催化活性.     

微波辅助溶剂热法制备Pt/石墨烯-TiO_2及其催化性能（英文）

质子交换膜燃料电池具有比能量高、结构简单、工作温度低、高效清洁和安静无摩擦等优点,是一种非常具有发展前景的电源.燃料电池借用电催化剂把燃料与氧化剂中的化学能转化为电能,通常采用碳粉负载的Pt催化剂.在燃料电池的工作环境下,碳粉载体容易腐蚀和团聚,降低了催化剂活性和稳定性,进而降低了燃料电池的使用寿命.因此,探索高稳定性的催化剂载体有利于提高催化剂的稳定性,促进燃料电池的实用化进程.为增强催化剂载体的抗腐蚀能力,一些金属氧化物如SnO2,WO3,CeO2和TiO_2等被用作催化剂载体.其中,TiO_2因具有稳定的化学性能以及与金属之间的"强相互作用"而备受研究者关注.但TiO_2载体比表面积小和导电能力弱等缺点限制了它在燃料电池中的应用.石墨烯具有卓越的导电性和比表面积,却容易发生团聚.利用TiO_2与碳材料间存在的协同作用,将TiO_2与石墨烯复合来制备复合载体,能够增强TiO_2的导电能力,抑制石墨烯的团聚,提高催化剂载体的化学稳定性和比表面积.本文采用微波辅助溶剂热法制备了石墨烯-TiO_2复合载体和Pt/石墨烯-TiO_2催化剂,研究了TiO_2含量对催化剂活性和稳定性的影响.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对制备的样品进行了微观结构和成分表征.结果表明,Pt/石墨烯-TiO_2催化剂中TiO_2为立方状纳米颗粒,粒径约为60 nm,均匀地分布在石墨烯上;Pt纳米粒子倾向于锚定在TiO_2与石墨烯之间,而且分布均匀.采用线性伏安扫描(LSV)和循环伏安法(CV)测试了不同TiO_2含量的Pt/石墨烯-TiO_2催化剂的活性和稳定性.发现TiO_2的加入确实能够提高催化剂的稳定性,随着TiO_2含量的提高,催化剂稳定性增加.当TiO_2含量为20%时,催化剂的起始电压与极限电流均与Pt/C催化剂接近.经过循环伏安扫描3000圈的快速老化测试后,Pt/石墨烯-TiO_2催化剂起始电压的负移明显低于Pt/C催化剂,呈现了优良的稳定性和催化活性     

无机胶体法制备Pt/C催化剂及其性能表征

采用无机胶体法制备用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的Pt/C催化剂。研究了影响PtO₂胶体生成和稳定性的因素(溶液的pH值、浓度和温度条件等)以及不同还原剂浓度对Pt/C催化剂性能的影响。透射电子显微镜测试结果表明，采用经优化的工艺条件所制备的Pt/C催化剂平均粒径为3 nm，且分散性好、粒度均匀。X-射线衍射分析表明，催化剂中Pt(111)晶面的相对含量较高，有利于加速氧还原反应。单体PEMFC的电压/电流密度曲线测试表明，所制备的Pt/C催化剂具有良好的电化学性能。     

金属氧化物在低温燃料电池催化剂中的应用

低温燃料电池具有比能量高、工作温度低、环境友好等优点,是一种颇具发展前景的便携式电源。但由于传统的Pt/C催化剂制造成本高,且电化学稳定性较低,影响了燃料电池的商业化进程。而金属氧化物在燃料电池工作环境下具有较高的电化学稳定性,同时与催化剂金属之间存在强烈的相互作用,能够改变氧气或燃料在催化剂金属表面上的吸附性质,从而改善催化剂的活性。本文针对低温燃料电池成本高和寿命短的两大问题,论述了金属氧化物助催化剂在提高催化剂活性和稳定性方面的应用,重点介绍了铌、锰、钛、钨和锡等几种金属元素的氧化物在低温燃料电池催化剂研究中进展,并对目前金属氧化物在低温燃料电池催化剂研究中存在的主要问题和发展前景进行了探讨和展望。     

Pt纳米颗粒在氮掺杂空心碳微球上的高分散负载及其氧还原性能

通过热解自聚合多巴胺法制备了氮掺杂空心碳微球(N-HCMS), 并采用微波辅助乙二醇还原方法把Pt纳米粒子负载于N-HCMS上制得了Pt/N-HCMS催化剂. 催化剂的表面形貌、晶体结构及其比表面积和孔径分布等分别采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及比表面分析仪等进行表征. 采用循环伏安法和线性扫描伏安法研究了Pt/N-HCMS 催化剂在酸性条件下的电催化氧还原性能. Pt/N-HCMS 催化剂由于Pt纳米粒子的均匀分散、N-HCMS载体的快速电子传递及其独特的微孔和中空结构而具有很高的电催化氧还原活性, 其质量比活性是E-TEK Pt/C 催化剂的近两倍. Pt/N-HCMS 催化剂还具有优良的稳定性. 本工作对于开发高性能的燃料电池阴极催化剂具有重要意义.     

氮掺杂石墨烯的一步法低温合成及用作微生物燃料电池阴极催化剂的产电特性

利用爆炸法低温合成了氮掺杂石墨烯(NG),并通过高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、Raman光谱仪以及X射线衍射仪对其进行了表征.电化学性能检测结果表明,所合成的NG在中性磷酸盐电解液中具有优异的氧还原催化活性,完全能够与贵重金属铂催化剂(Pt/C)相媲美,氧还原催化稳定性甚至优于Pt/C.当NG用作微生物燃料电池(MFCs)的阴极氧还原催化剂时,在外阻为1000Ω情况下,MFCs的最大功率密度为1345 mW/m2,产电稳定性优于以Pt/C为阴极催化剂的MFCs,可以成为Pt催化剂的理想替代品.     

Hollow and Threadlike Nanostructures of Boron Carbide

An original low-temperature method is proposed for the synthesis of boron carbide from simple materials. It made it possible to obtain a powdered product in the form of hollow and threadlike nanostructures. The boron carbide nanotubes are shorter than bundles of nanotubes. The boron carbide nanostructures are grown from vapor-phase reagents at a high-temperature nanocenter, the enhanced reactivity of which is maintained as a result of the exothermic effect of the reaction.     

掺氮碳化钨的制备及其电催化性能的研究

碳化钨是一种具有应用前景的电催化剂,本文尝试对碳化钨的非金属位进行氮掺杂,以钨酸钠为钨源,经由中间体氮化钨（WN）,并在一氧化碳气体中进行渗碳后合成掺氮的碳化钨纳米片（WN|WC）. 通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观测发现,WN|WC纳米片尺寸均匀,碳原子进入WN晶格中形成具有密排六方结构的WC晶相,并和WN的晶格条纹紧密联结而形成异质结构. X射线衍射（XRD）结果显示碳化后的样品中含有WN和WC两种晶型,XPS结果进一步表明WN|WC表面形成了WN和WC的异质结构. 为讨论氮元素掺杂对电催化性能的影响,本文通过微波辅助加热法负载少量铂制备Pt/WN|WC催化剂,并以甲醇氧化为指针反应,纯相碳化钨和商用铂碳材料（Pt/C）等为对比样,评价了Pt/WN|WC催化剂的电化学性能. 电化学测试表明,该催化剂甲醇氧化的电流密度是商业Pt/C的3倍,具有较高的交换电流密度和速率常数,且经过200周的循环伏安扫描后,正扫峰电位（Ep_f）和负扫峰电位（Ep_b）仍保持稳定,结果表明氮的掺杂改变了碳化钨表面的电子状态,形成了WN和WC的异质界面,有利于催化性能的提高.     

碳化硼纳米线的制备和结构

以碳纳米管为模板，通过加热碳纳米管与硼粉的混合物，获得了笔直的硼碳纳米线.对纳米线的结构和成分进行研究，结果表明纳米线主要为B4C纳米线.在部分B4C纳米线的端部存在Ni颗粒，这些端部具有Ni颗粒的纳米线构成了纳米磁针.讨论了B4C纳米线的生长机制，B4C纳米线的生长主要为硼原子在碳纳米管中扩散并发生化学反应，使得碳纳米管晶格结构发生重组，形成B4C纳米线.反应后，硼原子部分取代了碳纳米管中碳原子，修补了碳纳米管中的晶格缺陷，获得了形态笔直的B4C纳米线.     

碳化钨用作质子交换膜燃料电池催化剂载体的抗氧化性能

 采用还原碳化法制备了碳化钨样品,并用原位还原法担载Pt粒子得到Pt/WxCy催化剂. 利用计时电流技术对Pt/WxCy和常规Pt/C催化剂进行氧化处理,并用循环伏安法测试了氧化前后两种催化剂的电化学活性面积. 将两种催化剂制成单电池,对比研究了其氧化后的性能衰减. 结果表明, Pt/WxCy催化剂制成的单电池抗氧化能力显著高于普通Pt/C制成的单电池.     

燃料电池Pt基核壳结构电催化剂的最新研究进展

综述了用于燃料电池的Pt基核壳结构电催化剂的制备方法和表征方法的最新研究进展.首先,详细介绍了核壳结构催化剂的制备方法,主要包括胶体法、电化学法和化学还原法等.其中胶体法的应用最为广泛,制备过程简单易控;电化学法和化学还原法在最近几年得到了迅速发展,并有望用于核壳结构电催化剂的批量化生产.其次,简单阐述了核壳结构电催化剂特用的表征方法.其中高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜是近年来发展的一种新技术,它利用暗场强度与原子序数的比例关系可以有效地表征核壳电催化剂的特殊结构.最后,总结了存在的问题并展望了可能的发展方向.     

核壳结构:燃料电池中实现低铂电催化剂的最佳途径

电催化剂是决定低温燃料电池性能、寿命和成本的关键材料之一,核壳结构电催化剂由于其在降低铂载量、提高催化剂活性方面表现出的良好性质,已成为燃料电池领域的研究热点。本文综述了低温燃料电池核壳结构电催化剂的最新研究进展。首先,在概述核壳结构电催化剂总体特征的基础上,详细介绍了核壳结构电催化剂的制备方法,主要包括胶体法、热分解法、置换法、电化学法等,其中胶体法是目前应用最为广泛的一种方法,具有合成过程简单易控等优点;置换法和电化学法则是在最近几年得到了迅速的发展,并有望用于核壳结构电催化剂的批量化生产。然后,分别从二元及其他多元催化剂组成方面阐述了核壳型电催化剂体系的研究进展,核壳结构电催化剂不仅可有效提高贵金属铂的质量比活性,同时,其他金属元素与铂之间存在的相互作用可对电催化剂的活性及稳定性产生十分重要的调变作用。最后,我们对低温燃料电池核壳结构电催化剂的发展趋势作了展望。     

Synergistic Effect of Boron Nitride and Carbon Domains in Boron Carbide Nitride Nanotube Supported Single-Atom Catalysts for Efficient Nitrogen Fixation

Developing the low-cost and efficient single-atom catalysts (SACs) for nitrogen reduction reaction (NRR) is of great importance while remains as a great challenge. The catalytic activity, selectivity and durability are all fundamentally related to the elaborate coordination environment of SACs. Using first-principles calculations, we investigated the SACs with single transition metal (TM) atom supported on defective boron carbide nitride nanotubes (BCNTs) as NRR electrocatalysts. Our results suggest that boron-vacancy defects on BCNTs can strongly immobilize TM atoms with large enough binding energy and high thermal/structural stability. Importantly, the synergistic effect of boron nitride (BN) and carbon domains comes up with the modifications of the charge polarization of single-TM-atom active site and the electronic properties of material, which has been proven to be the essential key to promote N₂ adsorption, activation, and reduction. Specifically, six SACs (namely V, Mn, Fe, Mo, Ru, and W atoms embedded into defective BCNTs) can be used as promising candidates for NRR electrocatalysts as their NRR activity is higher than the state-of-the art Ru(0001) catalyst. In particular, single Mo atom supported on defective BCNTs with large tube diameter possesses the highest NRR activity while suppressing the competitive hydrogen evolution reaction, with a low limiting potential of −0.62 V via associative distal path. This work suggests new opportunities for driving NH₃ production by carbon-based single-atom electrocatalysts under ambient conditions.     

嵌段共聚物模板法一步制备WC/C基底电极材料

以酚醛树脂作为碳源,采用嵌段共聚物模板法一步制备新型有序介孔碳化钨/碳（WC/C）纳米颗粒. WC/C颗粒的比表面积为414 m²·g^-1,表面的平均孔径约为38 nm,处于介孔范围内（2 ~ 50 nm）. 通过调节树脂预聚时间以及碳化温度等条件制备出结构形貌较优的WC/C复合材料,并探讨了材料形成机理. 使用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜及氮气吸脱附等方法表征了复合材料的结构. 将贵金属铂负载于WC/C表面制备得新电催化材料Pt-WC/C,使用循环伏安法和计时电流法对Pt-WC/C复合材料的电化学性能进行检测,并与商用碳载铂（Pt/C）材料进行对比. 测试结果发现,Pt-WC/C对甲醇的电催化活性以及稳定性等方面都表现出优于商用Pt/C材料的活性,这主要归功于碳化钨高度分散于碳表面.     

碳化硼成分分析标准物质的研制

介绍碳化硼成分分析标准物质的制备方法。以硼酸和蔗糖为原材料,酯化反应得到硼酸酯沉淀,经过烧结制备碳化硼粉体。用低温前驱体裂解法制备碳化硼成分分析标准物质,并进行了均匀性检验、稳定性考察,采用8家实验室协作定值,对定值结果的不确定度进行了评定。结果表明,研制的碳化硼成分分析标准物质具有良好的均匀性和稳定性,量值准确可靠,定值结果的相对扩展不确定度为0.003 1%~0.13%(k=2)。