微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展

在微生物燃料电池（MFC）中,以氧为电子受体具有很多优点,但氧阴极还原的反应动力学慢,会造成阴极电势的损失。 因此,提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。 本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。 重点讨论了贵金属Pt、过渡金属大环化合物以及金属氧化物催化剂对氧还原的电催化活性。 其中,非贵金属氧化物及过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能,而且价格低廉,有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。     

炭载体改性对炭载Pd催化剂电催化性能的影响

研究了硝酸和氨水改性处理对活性炭表面基团、炭载Pd纳米粒子的形态及其对甲酸氧化电催化性能的影响.傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)及Boehm滴定结果表明,硝酸和氨水处理分别增加了活性炭表面含氧基团和含氮基团的含量.透射电镜(TEM)及电化学测试显示,活性炭经硝酸处理后,表面负载的Pd粒子粒径降低,催化剂对甲酸氧化活性和稳定性提高.进一步用氨水处理后,Pd粒子的粒径没有明显变化,但催化剂中Pd0的含量增加,催化剂性能进一步提高.     

氮磷共掺杂—提升氧还原催化剂毒化分子耐受性(SO_x,NO_x和PO_x)

<正>燃料电池以氢气为燃料,以空气为氧化剂。在电催化剂的作用下,电池阳极和阴极分别发生氢氧化反应和氧还原反应(Oxygenreduction reaction,ORR)。在接触空气的阴极氧还原的过程中,即使空气中存在少量的硫氧化物(SO_x)或氮氧化物(NO_x),也可轻易毒化包括Pt基催化剂,极大降     

层级多孔碳载铂催化剂的制备及可达性

层级多孔碳作为氧还原铂基催化剂载体的选择之一, 简单的旋转圆盘电极(RDE)验证此类催化剂具有较高的氧还原活性, 但几乎都缺少膜电极(MEA)性能验证, 实用性无法保证. 本文设计制备了基于聚苯胺的层级多孔碳（NHPC）载铂催化剂（Pt/NHPC850）, 研究了其氧还原活性、 MEA质子传输和氧传输特性. RDE测试研究表明, Pt/NHPC850催化剂在低I/C（离聚物与碳载体质量比）时的面积活性低于实心碳载铂催化剂（Pt/XC-72）, 但当I/C增大到与膜电极中一致时, 由于Nafion树脂对Pt催化剂的毒化作用增强, 其面积活性反而优于 Pt/XC-72. Pt/NHPC850催化剂的高Pt分散性及其优异的抗Nafion毒化性能, 使其在I/C为0.8时的质量活性为Pt/XC-72催化剂的1.34倍. MEA质子传输研究表明, 即使在高加湿条件下, Pt/NHPC850质子电阻率仍高达72.6 mΩ·cm², 为Pt/XC-72的3倍. Pt/NHPC850制备的膜电极极化曲线在500 mA/cm²电流密度下性能迅速下降, Pt/NHPC850的氧增益电压达到144.4 mV, 比Pt/XC-72高56.7 mV. 表明Pt/NHPC850膜电极的质子传输和氧传输性能较差. 对比Pt/NHPC850催化剂的RDE和MEA的测试结果, 说明以层级多孔碳为载体的铂碳催化剂虽然耐Nafion毒化能力提高, 但是质子和氧气的氧传输性较差, 此类层级多孔碳还需进一步优化其结构, 才有可能满足低铂质子交换膜燃料电池（PEMFC）的应用需求.     

锂氧电池双功能还原石墨烯-LaFeO_3复合纳米催化剂的制备及性能

制备具有氧还原(ORR)与氧释放(OER)双功能催化活性的特殊孔道结构电催化剂是锂氧电池研究的挑战之一。本文以氧化石墨烯、硝酸铁、硝酸镧、柠檬酸为原料,结合溶胶凝胶和水热合成方法,制备出还原氧化石墨烯(RGO)与铁酸镧(LaFeO_3)复合的双功能催化剂(RGO-LaFeO_3)。X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和Raman光谱分析结果确认该复合催化剂由纯相钙钛矿结构LaFeO_3和还原氧化石墨烯组成,扫描电子显微镜(SEM)观察到LaFeO_3纳米颗粒均匀地负载在RGO片层表面。锂氧电池测试结果指出,相对于LaFeO_3纳米粒子(NP-LaFeO_3),RGO-LaFeO_3催化剂具有更好的ORR和OER催化活性,归因于RGO特殊的三维导电多孔结构与LaFeO_3纳米粒子的协同催化作用。以RGO-LaFeO_3作为阴极催化剂的锂氧电池在限1000 m Ah?g~(-1)比容量、100 m A?g~(-1)电流密度条件下,可实现36周稳定的充放电循环,展示出良好的应用前景。     

金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展

随着能源危机加剧和生态环境恶化, 可持续发展能源受到更大的重视. 金属空气电池作为一种绿色能源是具有很大发展潜力的新一代电池. 与传统电池相比, 此类电池有着更高的理论能量密度, 尤其是锂空电池, 能量密度可达3505 Wh/kg, 然而阴极缓慢的氧还原反应成为制约其发展的关键因素之一. 在简要介绍氧还原反应机理基础上, 着重介绍了近年来氧还原催化剂如贵金属及其合金、过渡金属氧化物/硫化物、功能化碳材料和金属氮化物的研究进展, 并根据目前所存在问题指出未来研究方向, 包括深入研究氧还原反应机理, 明确催化剂活性位; 研究催化剂结构等对催化活性的影响, 优化制备条件, 以提高催化活性和稳定性; 根据氧还原机理设计开发新型氧还原催化剂.     

CO2原位处理对Sm0.5Sr0.5CoO3-δ电催化剂性能的影响

采用阴极轻度过烧工艺制备了Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)(SSC)阴极,并在单电池运行条件下利用25%CO2(体积比)对电池阴极进行了原位处理.XRD及TG分析表明,在600℃下,CO2的原位处理导致SSC阴极表面有少量SrCO3和Co3O4生成.空气吹扫下,SrCoO3-δ和Co3O4的存在都有效地改变了阴极材料的表面物理化学性质.阴极电催化剂上氧还原速率的加快显著地降低了阴极的极化电阻,从而导致电池的功率密度提高了约20%.     

Pt纳米催化剂在质子交换膜燃料电池催化层中的尺寸效应研究

以XC-72碳黑为载体, H2[PtCl6]为前驱体, 采用浸渍还原法并结合后续高温处理, 制备出不同尺寸Pt颗粒(3～8 nm)的Pt/C催化剂. 在基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电化学电解池中, 对实际PEMFC催化层中燃料电池反应的Pt催化剂尺寸效应进行了研究. 结果表明, 在PEMFC催化层环境中, Pt/C纳米催化剂对氢氧化和氧还原反应均有显著的粒度尺寸效应. 随着Pt粒度减小, 氢氧化和氧还原反应的表面积活性均降低.     

PtCr合金的溶液制备及其电化学性质分析

催化剂性能的高低直接决定了燃料电池性能的好坏. 采用Pt基合金不仅能够降低催化剂Pt的载量, 而且往往能够提高催化剂的性能. 本工作用Cr作为合金化元素, 通过液相共沉淀的方式制备了不同比例的碳载PtCr合金催化剂. 采用高分辨透射电镜(HRTEM), 扫描电镜(SEM)等技术对合金催化剂的物理性质进行了测试. 结果表明, 获得的PtCr/C催化剂均匀地分散在Vulcan XC-72碳载体上, 粒度小于4 nm. 通过电化学测试, 研究了不同比例PtCr合金的电化学催化性能. 循环伏安测试表明, 本实验条件合成的合金催化剂在Pt/Cr原子比为2/1的时候, 对氧还原动力学有最佳的催化性能.     

聚苯胺修饰Pt/C催化剂对质子交换膜燃料电池动态响应的促进作用

将超级电容器材料聚苯胺引入电极催化剂中以缓冲燃料电池负载的变化.以硫酸为掺杂剂,将化学法合成的聚苯胺(PANI)与Pt/C超声分散混合,制成PANI-Pt/C催化剂.PANI-Pt/C的循环伏安测试和作为质子交换膜燃料电池阴极电催化剂的电池性能测试表明,PANI含量为10%时能够提高Pt/C催化剂对氧的还原动力学速度和燃料电池放电性能.电池在不同电流负载下的电压动态响应和对电池脉冲电流的动态响应以及PANI-Pt/C催化剂多电位电势阶跃计时电流测试显示,聚苯胺在催化剂中具有在瞬间电流负载时缓冲电池电压和电池大电流放电时平稳电压的作用.     

Chemical properties of the surface of nanofibrous carbonaceous materials produced by catalytic methane decomposition

The chemical behavior of nanofibrous carbonaceous materials prepared by the catalytic decomposition of methane was studied by IR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and titration. Initial carbon was shown to be virtually devoid of functional groups on its surface. Treatment of carbonaceous samples with alkali, ammonia, or nitric acid modified the surface of carbon and increased the number of functional groups.     

A methodology for investigating new nonprecious metal catalysts for PEM fuel cells

This paper reports an approach to investigate metal-chalcogen materials as catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane (PEM) fuel cells. The methodology is illustrated with reference to Co-Se thin films prepared by magnetron sputtering onto a glassy-carbon substrate. Scanning Auger microscopy (SAM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and X-ray diffraction (XRD) have been used, in parallel with electrochemical activity and stability measurements, to assess how the electrochemical performance relates to chemical composition. It is shown that Co-Se thin films with varying Se are active for oxygen reduction, although the open circuit potential (OCP) is lower than for Pt. A kinetically controlled process is observed in the potential range 0.5-0.7 V (vs reversible hydrogen electrode) for the thin-film catalysts studied. An initial exposure of the thin-film samples to an acid environment served as a pretreatment, which modified surface composition prior to activity measurements with the rotating disk electrode (RDE) method. Based on the SAM characterization before and after electrochemical tests, all surfaces demonstrating activity are dominated by chalcogen. XRD shows that the thin films have nanocrystalline character that is based on a Co(1-x)Se phase. Parallel studies on Co-Se powder supported on XC72R carbon show comparable OCP, Tafel region, and structural phase as for the thin-film model catalysts. A comparison for ORR activity has also been made between this Co-Se powder and a commercial Pt catalyst.     

大孔碳载Ir催化剂对氨氧化的电催化性能

分别以大孔炭(MC)和Vulcan XC-72炭黑(XC)为载体,制备了Ir/MC和Ir/XC催化剂。 在用X射线能量色散谱(EDS)、X射线衍射(XRD)谱、拉曼光谱对催化剂表征的基础上,用电化学技术研究了2种炭载Ir催化剂对氨氧化的电催化性能,发现氨在Ir/MC催化剂电极上,氧化峰峰电流密度比在Ir/XC催化剂电极上大38.7%左右,而且电催化稳定性明显好于Ir/XC催化剂。 由于Ir/MC和Ir/XC催化剂的Ir粒子平均粒径和相对结晶度相似,因此,这只能归结于MC有大的孔径和孔率及高的石墨化程度引起的高电导率。 所以MC是一种比XC更好的催化剂的炭载体。     

纳米碳纤维的表面性质和微结构对氧还原催化活性的影响

采用超声处理的方法分别对管式纳米碳纤维(t-CNF)和鱼骨式纳米碳纤维(f-CNF)进行了表面化学处理. XPS结果表明, 在混酸(浓硫酸+浓硝酸)和氨水中进行超声化学处理可以在CNF表面分别引入含氧官能团和含氮官能团. 电化学测试结果表明, 2种不同微结构CNF的氧还原催化活性都遵循相同的趋势, 即CNF-P相似文献   

活性炭电极材料的表面改性和性能

以硝酸、双氧水、氨水三种化学试剂分别对活性炭进行表面改性, 用N2吸附法和FTIR表征炭材料改性前后孔结构和表面官能团的变化. 制备了以改性活性炭为电极材料, KOH溶液为电解质的模拟双电层电容器. 用恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法考察了双电层电容器的电化学性能. 结果表明, 改性活性炭比表面积和平均孔径有所降低, 并且在炭材料表面引入了含氧或含氮官能团, 如—OH、>CO、—NH2等, 使炭材料的润湿性增强、电阻减小、电化学性能显著提高. 用65%硝酸改性后炭材料的比容量最高达到250 F·g-1, 比原样炭提高了72.4%; 实验电容器的漏电流急剧下降, 只有3-18 μA, 为原来电容器的漏电流(371 μA)的0.8%-4.9%.     

Enhanced oxygen reduction at Pd catalytic nanoparticles dispersed onto heteropolytungstate-assembled poly(diallyldimethylammonium)-functionalized carbon nanotubes

Both Keggin-type phosphotungstic acid (HPW) and Pd are not prominent catalysts towards the oxygen reduction (ORR), but their composite Pd-HPW catalyst produces a significantly higher electrochemical activity for the ORR in acidic media. The novel composite catalyst was synthesized by self-assembly of HPW on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) via the electrostatic attraction between negatively charged HPW and positively charged poly(diallyldimethylammonium (PDDA)-wrapped MWCNTs, followed by dispersion of Pd nanoparticles onto the HPW-PDDA-MWCNT assembly. The as-prepared catalyst was characterized by transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, thermal gravimetric analysis (TGA), Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). TEM images show that Pd nanoparticles were uniformly dispersed on the surface of MWCNTs even when the Pd loading was increased to 60 wt%. Electrochemical activity of the catalysts for the ORR was evaluated by steady state polarization measurements using a rotating disk electrode. Compared with the acid treated MWCNTs, Pd nanoparticles supported on the HPW-assembled MWCNTs show a much higher ORR activity that is comparable to conventional Pt/C catalysts. The high electrocatalytic activities could be related to high dispersion of Pd nanoparticles as well as synergistic effects originating from the high proton conductivity of HPW. The Pd/HPW-PDDA-MWCNTs system as the cathode catalyst in proton exchange membrane fuel cells is demonstrated.     

改性炭黑-LaMnO3复合材料的制备及其共价复合效应对氧还原性能的影响

以VulcanXC-72炭黑为载体,通过对炭载体石墨化处理和表面化学修饰,将其与化学沉淀法制备的纳米级LaMnO₃颗粒共混,再经特定温度下煅烧,制备出改性炭黑-LaMnO₃复合材料.X射线光电子能谱和热重分析表明,当煅烧温度在300℃时,炭载体与LaMnO₃纳米颗粒之间形成了大量C-O-M（M=La,Mn）化学键.扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜分析发现,纯相LaMnO₃纳米颗粒主要呈现短棒、三支棒或竹节棒的形貌特征,炭载体则为具有完整石墨层的空心球结构,LaMnO₃均匀分散在炭载体上.在25℃,1mol/LNaOH溶液中的电化学测试结果表明,成分比（LaMnO₃：C）为2：3的复合材料具有很高的氧还原电催化活性,氧还原反应电子数为3.81,中间产物H₂O₂产率为9.5%,其活性接近商业Pt/C催化剂（E-TEK）.高的氧还原电催化活性主要归因于LaMnO₃纳米颗粒与炭载体之间形成了大量共价键.     

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.     

MnOx/MWCNTs低温氨选择性催化还原NOx硫中毒机理

以经过浓硝酸和等离子体放电预处理后的多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体, 锰氧化物(MnO_x)为活性组分, 采用等体积浸渍法制备MnO_x/MWCNTs 催化剂. 利用热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原/脱附(TPR/TPD)以及傅里叶变换红外(FTIR)光谱对催化剂进行表征, 探讨SO₂对催化剂低温氨选择性催化还原(SCR)NO_x活性的影响及SO₂中毒机理. 结果表明, 低温下SO₂对MnO_x/MWCNTs 催化剂活性有明显毒化作用. 反应温度越高, SO₂浓度越大, 催化剂SCR活性下降越快. 活性中心Mn原子硫酸化是催化剂失活的主要原因. 另外, 催化剂表面生成硫酸铵盐以及SO₂对NO吸附的抑制作用也一定程度上造成了催化剂的失活.     

Preparation of CoSe nanoparticles by microwave-assisted polyol method: effect of Se/Co ratio, support type and synthesis conditions on oxygen reduction activity

Highly methanol-tolerant CoSe nanoparticles supported on different carbon substrates were synthesized by microwave heating of glycerol solutions of cobalt(II) acetate and sodium selenite at different Se/Co mole ratios in the presence of different concentrations of acetic acid and ammonia. The resulting CoSe catalysts were used for the electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) in acidic solution in the presence of methanol. The ORR activity of the catalyst was increased by increasing its Se content up to 50?mol%. The presence of acetic acid or ammonia in the synthesis solution significantly affects the electrocatalytic performance of the CoSe catalyst; highest activity was observed when the catalyst was synthesized at NH₃/Co(II) mole ratio of 6. Among the catalysts prepared on different supports including carbon black (Vulcan XC-72R), and nanoporous carbons synthesized from resorcinol-formaldehyde and phloroglucinol-formaldehyde resins, the one supported on the carbon prepared from the last resin exhibited highest electrocatalytic activity for ORR.