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.     

Pt-Ru/C催化剂在甲醇电氧化过程中的组成和结构变化

本文研究了Pt-Ru/C催化剂在甲醇电催化氧化过程中组成和结构的变化。结果表明:在扫描初期,Pt-Ru催化剂的表面处于富Ru状态,Pt-Ru催化剂显示出良好的协同效应,峰电位较低,峰电流密度也较小。随着扫描圈数的增加(1~35圈),催化剂表面Ru原子逐渐溶解,Pt-Ru协同效应减弱,峰电位逐渐增大;同时,随着Ru的溶解,催化剂表面Pt原子含量的增加,催化剂对甲醇氧化的峰电流密度逐渐增大。继续增加扫描圈数(36~80圈),催化剂表面Ru原子含量趋于稳定,但Pt原子发生表面重组,粒子粒径增大,从而导致催化剂对甲醇电氧化性能下降。     

高分散PtRu/C催化剂的制备及对甲醇及吸附态CO的电催化氧化

采用化学还原浸渍法在两种不同条件下制备炭载PtRu催化剂,通过XRD和TEM技术对催化剂的晶体结构及微观形貌进行了分析,运用循环伏安法、线性扫描法来检测不同条件下制备的催化剂对甲醇及吸附态CO(COad)电催化氧化活性的影响.结果表明,不同条件下制备的催化剂Pt和Ru形成合金的程度不同,Pt-Ru合金原子的颗粒在载体炭上的粒径大小和分布不同,导致催化剂对甲醇及COad的电氧化催化活性不同.其中以甲醛为还原剂在乙二醇体系中制备的催化剂PtRu/C-2能形成较好的合金状态,粒径小,分布均匀,对甲醇及COad的氧化具有较高的电催化活性.     

Pt-Ru/GC电极对甲醇电催化氧化的研究

利用循环伏安法制备了Pt-Ru/GC电极并用于对甲醇的电催化氧化研究,考察了Pt、Ru原子比、沉积电位下限和沉积量对电极催化性能的影响,研究了电极催化性能的稳定性。结果表明Ru的加入对电极催化性能具有明显的改善作用,对甲醇的氧化电位范围明显变宽,氧化电流明显增大,电极的稳定性明显高于Pt/GC电极。在Pt、Ru原子比为1:1、沉积电位下限为-0.2V、沉积量为40r的条件下,Pt-Ru/GC电极对甲醇电催化氧化的性能最好。     

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.     

四氢呋喃-水-乙醇三元溶液体系制备高合金化Pt-Ru/CMK-3催化剂

提出了在四氢呋喃(THF)、H2O和乙醇三元体系中用一般的化学还原法在室温下制备高合金化Pt-Ru/CMK-3催化剂的新方法. 与在纯水中制得的商品化ETEK催化剂相比, 其Pt-Ru粒子的合金化程度高、平均粒径较小且相对结晶度低, 因此, 该催化剂对甲醇氧化的电催化活性远高于在纯水中制得的Pt-Ru催化剂. 高合金化程度的原因是H2PtCl6和RuCl3在THF、H2O和乙醇三元溶液体系中的起始还原电位相近. 此外, CMK-3以其规整的二维有序孔道结构, 为直接甲醇燃烧电池(DMFC)中电子和物质的传输提供了方便的路径, 其巨大的比表面积也为Pt-Ru 纳米粒子的均匀分散提供了良好的载体.     

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.     

四氢呋喃-水-乙醇三元溶液体系制备高合金化Pt-Ru/CMK-З催化剂

提出了在四氢呋喃(THF)、H2O和乙醇三元体系中用一般的化学还原法在室温下制备高合金化Pt-Ru/CMK-З催化剂的新方法.与在纯水中制得的商品化ETEK催化剂相比,其Pt-Ru粒子的合金化程度高、平均粒径较小且相对结晶度低,因此,该催化剂对甲醇氧化的电催化活性远高于在纯水中制得的Pt-Ru催化剂.高合金化程度的原因是H2PtCl6和RuCl3在THF、H2O和乙醇三元溶液体系中的起始还原电位相近.此外,CMK-З以其规整的二维有序孔道结构,为直接甲醇燃烧电池(DMFC)中电子和物质的传输提供了方便的路径,其巨大的比表面积也为Pt-Ru纳米粒子的均匀分散提供了良好的载体.     

以多聚甲醛为还原剂制备新型阳极Pt/CMK-3催化剂

 以多聚甲醛为还原剂,采用液相还原法制备了Pt/CMK-3直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极催化剂,并采用透射电镜和X射线衍射技术对其进行了表征. 结果表明,有序介孔碳CMK-3具有规整的二维有序孔道结构,为DMFC中电子和燃料的传输提供了方便的路径,同时它较大的比表面积使得Pt纳米粒子很好地分散在其表面; Pt/CMK-3催化剂中Pt粒子的平均粒径为2.8 nm, 小于E-TEK公司的商品化Pt/XC-72和以甲醇为还原剂制备的Pt/C-M催化剂,并且粒径分布范围窄,结晶度低. 察了Pt/CMK-3催化剂对甲醇的电催化氧化性能,发现Pt/CMK-3催化剂对甲醇氧化的电催化性能优于Pt/XC-72和Pt/C-M催化剂.     

阵列纳米管中铂:钌原子比对甲醇电催化氧化活性的影响（英文）

采用电化学沉积技术在3-氨丙基三甲基硅氧烷修饰的多孔氧化铝膜板中制备了具有不同Pt/Ru原子比的双元Pt/Ru阵列纳米管电极（NTAEs）。分别用X-射线衍射和扫描电镜表征了催化剂结构和形态。电化学结果表明：通过控制前驱沉积液的浓度可得到不同PtRu原子比的NTAEs。所制备的Pt 或 Pt/Ru合金阵列纳米电极的真实表面积大,催化活性强,有利于物质传输,对甲醇电氧化显示出显著的催化性能。实验中还系统研究了催化剂组成与CO和CH3OH电催化氧化性能的关系,发现Pt/Ru=50:50的阵列纳米管电极对CO电氧化显示出最好的催化活性;对甲醇电氧化,则Ru原子比为40%的催化剂显示最佳催化性能。     

Preparation of High-alloying Pt-Ru/CMK-3 Catalysts in THF-H2O-EtOH Ternary Solution System

The Pt-Ru particles of the Pt-Ru/CMK-3 catalyst were found to possess high degree of alloying, small average size, and low relative crystallinity when the Pt-Ru/CMK-3 catalyst was prepared using the general chemical reduction method in the ternary solution system containing tetrahydrofuran (THF), H₂O, and ethanol. The Pt-Ru/CMK-3 catalyst showed high electrocatalytic activity for methanol oxidation. It indicated that the alloying of Pt-Ru could significantly affect the electrocatalytic activity for methanol oxidation. The Pt-Ru/CMK-3 catalyst with high alloying degree can be obtained because THF and H₂PtCl₆ can form a complex leading to the reduction potentials of H₂PtCl₆ and RuCl₃, which are close to each other in the aqueous solution with THF.     

电化学方法制备高分散Pt/CMK-3及其对甲醇电化学催化性能

采用直接电化学还原法在介孔碳(CMK-3)载体上直接电沉积高分散的铂纳米颗粒,制备CMK-3复合铂纳米颗粒电极(Pt/CMK-3)。 通过透射电子显微镜分析发现,铂纳米颗粒非常均匀的分布在CMK-3上,平均粒径约5 nm。 通过循环伏安测试,分析了催化剂不同负载铂含量时氯铂酸的利用率,在理论铂质量分数为20%时,这种方法制备的Pt/CMK-3所使用的氯铂酸的利用率最高,在1 mol/L CH3OH+0.5 mol/L H2SO4溶液中循环伏安测试电流密度达到382 A/g。 在相同实验条件下,Pt/CMK-3电极对甲醇电催化活性远高于Pt/XC-72(炭黑)电极和用常规电沉积方法制备的Pt/CMK-3电极。     

Nd_x作为助催化剂对PtRu/C电催化氧化甲醇活性的影响

采用沉积-还原法制备了PtRu-NdOx/C催化剂,借助TEM、EDS和XRD等测试手段对其进行了微结构和组成的表征.结果表明,催化剂中Pt与Ru以合金形式存在,而Nd的氧化物则以无定形形态存在.催化剂粒子的平均粒径在2nm左右,晶胞参数为0.3896nm,Nd氧化物的加入对PtRu合金的晶体结构影响不明显.采用循环伏安法和计时电流法,比较了PtRu-NdOx/C催化剂和PtRu/C催化剂对甲醇氧化的电催化活性,结果表明,加入Nd的氧化物作为助催化剂能明显提高PtRu/C催化剂对甲醇氧化的电催化性能.     

NdOx作为助催化剂对PtRu/C电催化氧化甲醇活性的影响

采用沉积-还原法制备了PtRu-NdOx/C催化剂, 借助TEM、EDS和XRD等测试手段对其进行了微结构和组成的表征. 结果表明, 催化剂中Pt与Ru以合金形式存在, 而Nd的氧化物则以无定形形态存在. 催化剂粒子的平均粒径在2 nm左右, 晶胞参数为0.3896 nm, Nd氧化物的加入对PtRu合金的晶体结构影响不明显. 采用循环伏安法和计时电流法, 比较了PtRu-NdOx/C催化剂和PtRu /C催化剂对甲醇氧化的电催化活性, 结果表明, 加入Nd的氧化物作为助催化剂能明显提高PtRu /C催化剂对甲醇氧化的电催化性能.     

合金化程度对炭载Pt-Ru催化剂性能的影响

在含四氢呋喃(THF)的水溶液中, 室温下用NaBH₄还原H₂PtCl₆和RuCl₃制得Pt-Ru/C催化剂. 其Pt-Ru 粒子的合金化程度较高, 平均粒径较小, 相对结晶度较低. 因此对甲醇氧化的电催化活性远高于Pt-Ru 粒子的平均粒径和相对结晶度相似的, 而且Pt-Ru合金化程度低的商业化的E-TEK的Pt-Ru/C催化剂, 表明Pt-Ru的合金化程度对Pt-Ru/C催化甲醇氧化的电催化活性有很大的影响.     

PEMFC催化剂的研究：自制抗CO中毒Pt-Ru/C电催化剂的性质

用胶体法制备了抗CO中毒PEMFC阳极Pt-Ru/C电催化剂（标记为THYT－2）,对 比研究了THYT－2与Johnson Matthey (JM)公司同类品牌Pt-Ru/C催化剂的电化学及 其它物理化学性能。结果表明,THYT－2电催化剂在甲醇燃料电池和CO／H_2（Φ_ (CO) = 1 * 10~(-4)）的氢氧燃料电池中的电催化行为与JM催化剂相当,但THYT－ 2在低浓度CO氢气燃料中的电池性能更好。两种催化剂的其它物理化学性质具有类 似性：XPS分析结果表明THYT－2和JM催化剂 中都有三种不同价态的Pt存在：即金 属态Pt(0)、氧化态Pt(II)和Pt(IV)。HRTEM测试结果表明两种催化剂的粒径处在2 ～3 mn左右,这可能是它们拥有良好电化学性能的主要原因之一。本文还对催化剂 中Pt与Ru组分的分布和相互作用进行了讨论,提出了改进Pt-Ru/C电催化剂的思路 。     

PEMFC商用催化剂电催化活性和寿命研究(英文)

采用自设计的特制H 形电解槽模拟单个氢 空气质子交换膜燃料电池运作,并以电化学方法、SEM及XRD等技术研究两种商用催化剂,即碳载铂(Pt/C)和纯铂钌(Pt Ru)的电催化活性、表面形貌及其结构和寿命.同时对比了两种催化剂分别放在H 形电解槽和常规电解槽中运行情况的测试结果.实验表明,经过H 形电解槽运行后的催化剂,其循环伏安曲线表征氢吸脱的特征峰分别发生了正偏移(Pt/C电极)和负偏移(Pt Ru电极),且对应的峰电流呈现减小的趋势(特别是Pt/C电极).一氧化碳的毒化造成纯铂钌的电催化活性显著下降,其影响是不可逆的.