介观结构氮掺杂碳纳米笼负载铂-钌合金催化剂的优异甲醇电氧化性能

利用氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）的高比表面积及掺杂氮原子的锚定作用,方便地将约3 nm的Pt-Ru合金纳米粒子均匀地负载在hNCNC表面,制得了Pt和Ru比例可调的Pt-Ru/hNCNC双金属合金催化剂.这些催化剂展现出优异的甲醇催化氧化活性和稳定性,且具有良好的抗CO中毒能力,显著优于Pt/hNCNC和商业PtRu/C等对照组催化剂.其优异的电化学性能可归因于以下因素的协同作用：（1） Pt-Ru合金的双功能机制增强了催化剂的CO氧化脱附能力从而使活性位重新暴露,（2） hNCNC的氮掺杂及高比表面积有利于获得粒径小且均匀的合金纳米粒子,（3） hNCNC的多尺度分级孔结构有利于甲醇等参与反应物质的传输.     

一种新型直接甲醇燃料电池阳极添加剂的电化学研究

将磷钼酸(H₄PMo₁₂O₄₀·xH₂O,PMo₁₂)作为一种添加剂,制备了直接甲醇燃料电池阳极Pt-Ru/C-PMo₁₂复合催化剂,并对甲醇在含有此复合催化剂的阳极上的氧化进行了电化学研究.测试表明该添加剂降低了甲醇及其电氧化中间产物转化的活化能,改善了电极内部的质子传输状况,对甲醇的电化学氧化过程具有明显的促进作用,该复合催化剂与常规的Pt-Ru/C催化剂相比,甲醇的阳极氧化电流提高了46%.添加剂的这一效应可能与磷钼酸的Keggin结构有关.     

新型阳极材料Pt-Ru/CMK-3的制备与性能研究

通过在多元金属体系中加入络合剂四氢呋喃(THF), 改变其热力学参数进而改变其动力学还原速率, 在低温下同时还原金属Pt和Ru, 制备了高分散、高合金化的Pt-Ru固溶体并均匀担载在有序介孔碳CMK-3上, 以形成二元复合金属催化剂. XRD图谱表明, f.c.c结构中Pt原子部分被h.c.p结构中Ru原子取代形成置换固溶体, 且几乎没有未合金的Ru存在. TEM, XRD和N₂吸附-脱附研究显示, Pt-Ru/CMK-3催化剂中Pt-Ru合金粒子的平均粒径为3.2 nm, 且具有良好的均一度. 还研究了催化剂对甲醇的电催化氧化性能, 并与E-TEK公司同类催化剂进行了对比. 结果显示, Pt-Ru/CMK-3催化剂拥有较大的电化学活性面积, 对甲醇的电催化氧化性能和抗CO中毒能力明显优于其他同类催化剂.     

甲醇浓度对Pt/C催化剂氧还原活性的影响

采用半池考察了Pt/C催化剂在含不同浓度甲醇的0.5mol/L硫酸中的氧还原活性(ORR).研究发现,当甲醇浓度为0.1mol/L时,Pt/C催化剂的ORR活性最高,在催化层上热压商品NafionNRE-212膜后也出现同样趋势.线性扫描伏安曲线显示,压膜前后的Pt/C催化剂的ORR活性在含0.1mol/L甲醇的0.5mol/L硫酸中几乎没有变化.电化学阻抗谱结果表明,在该溶液中,Nafion膜的电阻比在其它电解液中低,这可能是导致Pt/C催化剂ORR活性提高的主要原因.有必要关注Nafion膜的这一异常性质并通过特殊设计后用于电池堆,以提高燃料电池性能.     

pH值对微波协助乙二醇法制备PtRu/C催化剂的影响

以微波协助乙二醇工艺合成了碳负载不同粒径大小的PtRu/C纳米催化剂, 主要考察了溶液pH值对PtRu粒子大小的影响. 利用紫外可见光谱、能量散射X射线谱、透射电镜和X射线衍射谱对PtRu纳米催化剂进行了表征. 结果表明, pH值是一个对PtRu粒子大小有着重要影响的因素. TEM结果显示随着溶液pH值的增加, PtRu粒径从3.5 nm减小到1.5 nm. 当溶液pH值达到11.0时, 由于金属粒子被保护, 合成的催化剂中金属载量明显减少. 溶液pH 值在9.0 右合成的PtRu/C催化剂具有适宜粒径(2.4 nm)和均匀分布的金属颗粒, 具有最好的甲醇电氧化活性.     

碱性介质中W,Ni和Sn掺杂的Pt-Ru/C电催化氧化甲醇的性能

直接以Pt, Ru, W, Ni和Sn的金属盐为前驱体, 通过溶胶法制备了不同原子比的Pt-Ru-M/C(M=W, Ni, Sn)碳载纳米合金催化剂, 用X射线衍射(XRD)和X光电子能谱(XPS)表征催化剂的晶相结构、表面组成及价态形式, 采用循环伏安法测试催化剂电催化氧化甲醇活性. 结果表明, 掺杂Ni和W可明显提高Pt-Ru/C催化活性, 掺杂Sn则降低了Pt-Ru/C催化活性. 其中Pt5-Ru4-Ni0.7/C的活性最高, 在1.0 mol/L NaOH＋1.0 mol/L CH3OH溶液中峰电流达835.2 mA/mg, 甲醇起始氧化电位比Pt5-Ru5/C低约0.11 V.     

碳载体的O3处理对直接甲醇燃料电池Pt-Ru/C催化剂性能的影响

为了提高直接甲醇燃料电池阳极催化剂的催化活性, 利用O₃处理的Vulcan XC-72碳黑为载体, 制备Pt-Ru/C催化剂, 并与未经处理的Vulcan XC-72为载体制备的Pt-Ru/C催化剂的性能进行比较. 采用XPS和BET测试了O₃处理后碳粉表面的含氧浓度和比表面积, 结果表明, 随处理时间延长, 碳表面含氧浓度先减少后增加, 比表面积减小; 而随着处理温度升高, 比表面积增加, 含氧浓度先减少后增加. XRD, TEM方法对催化剂的结构及形貌的表征结果表明: O₃处理的碳黑为载体制备的Pt-Ru/C催化剂粒径均匀、分散性好. 在0.5 mol/L CH₃OH和0.5 mol/L H₂SO₄溶液中, 利用粉末微电极测试了循环伏安和稳态极化曲线, 结果表明: O₃处理碳粉为载体的催化剂比未经处理的碳粉为载体的催化剂的活性高. 研究了O₃处理碳粉的时间和温度对催化剂性能的影响, 电化学测试表明: 140 ℃处理6 min的碳粉为载体制备的催化剂对甲醇的电催化氧化活性最佳.     

碳载体的O3处理对直接甲醇燃料电池Pt-Ru/C催化剂性能的影响

为了提高直接甲醇燃料电池阳极催化剂的催化活性, 利用O₃处理的Vulcan XC-72碳黑为载体, 制备Pt-Ru/C催化剂, 并与未经处理的Vulcan XC-72为载体制备的Pt-Ru/C催化剂的性能进行比较. 采用XPS和BET测试了O₃处理后碳粉表面的含氧浓度和比表面积, 结果表明, 随处理时间延长, 碳表面含氧浓度先减少后增加, 比表面积减小; 而随着处理温度升高, 比表面积增加, 含氧浓度先减少后增加. XRD, TEM方法对催化剂的结构及形貌的表征结果表明: O₃处理的碳黑为载体制备的Pt-Ru/C催化剂粒径均匀、分散性好. 在0.5 mol/L CH₃OH和0.5 mol/L H₂SO₄溶液中, 利用粉末微电极测试了循环伏安和稳态极化曲线, 结果表明: O₃处理碳粉为载体的催化剂比未经处理的碳粉为载体的催化剂的活性高. 研究了O₃处理碳粉的时间和温度对催化剂性能的影响, 电化学测试表明: 140 ℃处理6 min的碳粉为载体制备的催化剂对甲醇的电催化氧化活性最佳.     

NaOH溶液中Ni基石墨修饰电极上甲醇电氧化过程中钴与铜的协同效应

在NaOH溶液(0.1 mol/L)中考察了Ni, Co和Cu二元和三元合金修饰的石墨电极上甲醇电氧化反应性能.采用循环伏安法、计时电流法和电化学阻抗谱(EIS)等技术研究了修饰电极的催化活性和协同效应.这些催化剂在含有Ni, Cu和Co离子溶液的阴极电位上反复浸渍石墨电极制得.结果表明,在甲醇存在下, Ni基三元合金修饰电极(G/NiCuCo)对甲醇氧化反应的响应值明显高于其它样品.阳极峰值电流与扫描速率的平方根呈线性关系,表明该过程受扩散控制.在CA区域,该反应遵循Cottrellin特性,甲醇扩散系数为6.25×10–6 cm2/s.甲醇氧化反应速率常数为40×107 cm3/(mol·s).另外,采用EIS研究了修饰电极表面上甲醇催化氧化反应.     

炭载Pt-Ag双金属催化剂对甲醇氧化反应的电催化

以NaBH4为还原剂,将K2PtCl6和AgNO3前体进行共还原制备了一系列具有不同组成的碳载PtmAg/C合金催化剂（m为Pt/Ag原子比,m为0.05～1.0）,在酸性介质中考察了该系列催化剂对甲醇氧化反应的电催化性能。 与单组分Pt/C催化剂相比,系列PtmAg/C催化剂呈现出较高的催化氧化甲醇的活性与抗CO毒化能力,而且该催化剂的性能与其组成密切相关。 随m值增加,PtmAg/C催化剂对甲醇氧化反应的质量比催化活性(MSA)、本征催化活性(IA)与稳定性均逐步增加,当m=0.5时催化活性达到最高,其MSA和IA分别是Pt/C催化剂的5.1和4.8倍。     

甲醇浓度对被动式自呼吸直接甲醇燃料电池性能的影响

依据单电池测试结果和甲醇传质理论考察了甲醇溶液的浓度对被动式自呼吸直接甲醇燃料电池（DMFC）性能的影响.研究结果表明,电池的法拉第效率和能量转化效率会随着浓度的增大而降低,采用4mol/L的甲醇溶液实现了最大的放电功率13.9mW/cm^2,并能在60mA下稳定放电长达20h.这取决于电池运行过程中电极内部的甲醇传质和甲醇透过的共同作用.     

铂催化甲醇氧化开始步骤的研究

用ab initio和密度泛函(DFT)方法研究甲醇在铂低指数晶面的脱氢步骤. 在经典的Bagotzky模型计算的基础上提出了三种新的吸附脱氢模型, 并通过计算证明了三种模型的可行性, 计算证实了原位波谱法检测到的甲醇在铂上脱氢的三种中间体, CHOH, CH₂OH和CH₃O. 得出了甲醇脱氢的根本原因在于形成的强Pt—H键, 且在Pt不同的晶面上, 催化性能及反应历程、中间产物都不同.     

铂、钌共修饰碳纳米管电极的制备及对甲醇的电催化氧化

碳纳米管以其独特的结构,良好的电性能和机械性能吸引了众多的关注~([1]),被认为是潜在的异相催化剂载体 ~([2]).近来关于碳纳米管负载催化剂的合成及其在异相催化中应用的研究已见报道~([3]).     

碳黑预处理对Pt/C催化剂对甲醇氧化电催化活性的影响

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于具有较多的优点而受到广泛的关注. 但是碳载Pt (Pt/C)阳极催化剂电催化活性低是限制其应用的一个主要问题. 为了提高Pt/C催化剂对甲醇氧化的电催化性能, 分别用CO₂, 空气, H₂O₂或HNO₃对常用作为载体的Vulcan XC-72碳黑进行预处理. 结果表明, 在用CO₂, 空气, HNO₃, H₂O₂处理的及未处理的碳黑作载体制得的Pt/C催化剂电极上, 甲醇氧化峰的峰电流密度顺序为39, 33, 32, 20和18 mA•cm^－2, 表明用CO₂处理的碳载体制备的Pt/C催化剂对甲醇氧化有最好的电催化活性和稳定性. 其主要原因是用CO₂处理能减少碳黑表面的含氧基团和增加石墨化程度, 而使碳黑的电阻降低及Pt粒子在碳黑上的分散性变好.     

Pt-Ni-P/Ti蜂窝状电极的制备及其催化甲醇氧化性能研究

Ti基体上,通过电沉积-置换的方法制备了具有蜂窝状结构的Pt-Ni-P/Ti催化电极.采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对催化剂进行了表征.通过阳极线性伏安扫描法（LSV）、连续循环伏安法（CV）、预吸附单层CO溶出法研究了其甲醇氧化催化活性和抗CO中毒能力.SEM测试结果显示,非晶态Ni-P置换制备的Pt-Ni-P催化剂受“异地溶解-沉积”机理的影响而呈蜂窝状结构,而晶态Ni置换制备的Pt-Ni催化剂受“原位溶解-沉积”机理呈麦粒状.电化学测试结果表明,Pt-Ni-P/Ti电极在碱性介质中的甲醇氧化起始电位和CO氧化起始电位均比Pt-Ni/Ti电极更负,表明P掺杂可以增强Pt-Ni的甲醇氧化催化活性和抗CO中毒能力.     

厚壁和薄壁碳纳米管载铂催化剂制备和对甲醇氧化的电催化活性

铂催化剂;碳纳米管;甲醇;直接甲醇燃料电池     

Mo-Ce/SiO2催化剂上甲醇氧化制甲醛的催化剂的有效因子及甲醇的压力分布

在Mo-Ce/SiO₂催化剂上甲醇氧化制甲醛的动力学方程可表达为甲醇及甲醛吸附的Redox机理方程,当催化剂颗粒直径增大到3mm时,内扩散强烈地影响反应速度。催化剂有效因子η可用一般速度方程的近似方法进行解释。催化剂孔内甲醇的压力分布可用下式求得:(这里有图片19900813-843-1.GIF)     

Binding maps for the study and prediction of bimetallic catalyst surface reactions: The case of methanol oxidation

Focusing on the competing pathways of methanol oxidation on platinum and platinum/gold bimetallic catalysts, we explore a novel density functional theory (DFT)‐based approach to the study of reactions on catalyst surfaces. Traditionally, DFT has been used to compute binding energies of products and intermediates as proxies for catalytic activity, and to compute full reaction pathways and their activation energy barriers. Merging the computational simplicity and intuitive clarity of binding energy calculations with the site sensitivity of transition state calculations, we construct maps of the binding energies of relevant atoms and molecules at all sites on a surface. We show that knowledge of the arrangement of strong and weak binding sites on a surface is powerful in rationalizing the ease with which a reaction step proceeds on a given local motif of surface atoms. We highlight the prospects and challenges of this approach toward catalyst screening and prediction.     

甲醇在铁掺杂Pt-ZrO_2/C催化剂上的电氧化

应用溶胶-凝胶法制备不同铁掺杂量的ZrO2粉体,以ZrO2/C为载体制备Pt-Zr1-xFexO2/C催化剂电极.X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)表征载体及催化剂的表面形貌和晶体结构.结果表明,催化剂中Pt和ZrO2颗粒在活性炭表面均匀分布,铂颗粒尺寸为2~4 nm,ZrO2颗粒尺寸为3~7 nm.循环伏安法和计时电流法测定催化剂对甲醇电氧化作用,显示在ZrO2晶体中掺杂铁可以提高催化剂的甲醇电氧化活性.其性能与铁的掺杂量有关.     

甲醇-H2能源体系的催化研究:进展与挑战

甲醇是优异的储氢化合物,质量储氢密度高达12.5%。甲醇-氢能源体系着力于解决氢能应用中储存和输送的瓶颈问题,助力氢能的推广和应用。甲醇高效高选择性原位产氢是甲醇-氢能源体系中的重要环节。基于此,本文介绍了甲醇制氢催化研究的最新进展和面临的挑战。从甲醇储氢的优势、经济合理性出发,结合笔者自身研究情况,对甲醇储氢-原位制氢的方式、应用形式及重整产氢催化剂的结构和催化机理研究进行了梳理、总结。期望为甲醇-氢能源体系的催化研究提供参考,促进氢能走向实用。