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.     

CeO2纳米管负载Pd纳米颗粒催化CO低温氧化

高效负载型Pd催化剂的制备及其在CO低温氧化反应中的机理探究是近年来的研究热点.普遍认为,Pd催化剂上的CO氧化反应遵循Langmuir-Hinshelwood机理:首先,CO吸附于Pd物种表面;然后,CO与催化剂表面的晶格氧发生反应转化为CO2,反应发生在金属-载体界面.另外,高分散的Pd活性物种有利于CO氧化反应.同时载体的形貌、暴露的晶面、氧空位以及孔结构等都是影响催化剂活性的重要因素.CeO2纳米管具有独特的管状特征和较高的比表面积,是一种潜在的CO低温氧化催化剂载体.本文利用乙醇还原法,以CeO2纳米管为载体,制备不同Pd含量的Pd/CeO2-nanotube纳米催化剂,并利用N2吸附脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、CO程序升温脱附(CO-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,探索纳米催化剂载体形貌对CO氧化反应活性的影响.氮气吸脱附结果表明,Pd/CeO2-nanotube具有较高的比表面积(58.0 m2/g),且存在介孔结构.XRD表征发现,Pd/CeO2-nanotube的衍射峰对应立方萤石型结构的CeO2的(111),(200),(220),(311)等品面.TEM结果表明,Pd/CeO2-nanotube具有均匀的纳米管形貌,其外径为40-60 nm,Pd纳米颗粒均匀分散在其表面.CO-TPD结果表明,Pd/CeO2-nanotube在1 10℃附近具有很强的脱附峰,在370℃和600℃附近分别具有较宽和较弱的脱附峰,这表明该催化剂具有较多的吸附位,且具有很强的CO吸附能力;CO不可逆吸附量计算结果表明,该催化剂上的Pd具有很高的表面分散度(23.3％),Pd颗粒尺寸为7.3 nm.XPS表征显示,Pd以pd2+的形式分散于CeO2纳米管的表面,且与载体发生相互作用,存在Pd-O-Ce键;同时该催化剂表面存在丰富的Ce3+,为反应提供更多的氧空位.0.9Pd/CeO2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性,能在100℃实现CO的完全转化;通过计算发现,该催化剂具有较高的TOF值(0.63 s-1),由Arrhenius 曲线可得到该催化剂的活化能为26.5 kJ/mol.综上可见:金属活性组分的尺寸和分散度、载体的结构特征、CO吸附能力以及金属-载体间的相互作用决定催化剂的性能.Pd/CeO2-nanotube的高比表面积有利于Pd的分散;其强CO吸附能力有利于CO吸附于Pd物种表面;催化剂表面丰富的Ce3+能为反应提供更多的氧空位,Pd-O-Ce键的形成能增强金属-载体间的相互作用,有利于CO与催化剂表面品格氧发生反应.同时催化剂介孔结构有利于反应气体和产物气体的吸附和扩散,因此,Pd/CeO2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性.     

CeO_2纳米管负载Pd纳米颗粒催化CO低温氧化（英文）

高效负载型Pd催化剂的制备及其在CO低温氧化反应中的机理探究是近年来的研究热点.普遍认为,Pd催化剂上的CO氧化反应遵循Langmuir-Hinshelwood机理:首先,CO吸附于Pd物种表面;然后,CO与催化剂表面的晶格氧发生反应转化为CO_2,反应发生在金属-载体界面.另外,高分散的Pd活性物种有利于CO氧化反应.同时载体的形貌、暴露的晶面、氧空位以及孔结构等都是影响催化剂活性的重要因素.CeO_2纳米管具有独特的管状特征和较高的比表面积,是一种潜在的CO低温氧化催化剂载体.本文利用乙醇还原法,以CeO_2纳米管为载体,制备不同Pd含量的Pd/CeO_2-nanotube纳米催化剂,并利用N_2吸附脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、CO程序升温脱附(CO-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,探索纳米催化剂载体形貌对CO氧化反应活性的影响.氮气吸脱附结果表明,Pd/CeO_2-nanotube具有较高的比表面积(58.0 m~2/g),且存在介孔结构.XRD表征发现,Pd/CeO_2-nanotube的衍射峰对应立方萤石型结构的CeO_2的(111),(200),(220),(311)等晶面.TEM结果表明,Pd/CeO_2-nanotube具有均匀的纳米管形貌,其外径为40-60 nm,Pd纳米颗粒均匀分散在其表面.CO-TPD结果表明,Pd/CeO_2-nanotube在110℃附近具有很强的脱附峰,在370℃和600℃附近分别具有较宽和较弱的脱附峰,这表明该催化剂具有较多的吸附位,且具有很强的CO吸附能力;CO不可逆吸附量计算结果表明,该催化剂上的Pd具有很高的表面分散度(23.3%),Pd颗粒尺寸为7.3 nm.XPS表征显示,Pd以Pd~(2+)的形式分散于CeO_2纳米管的表面,且与载体发生相互作用,存在Pd-O-Ce键;同时该催化剂表面存在丰富的Ce~(3+),为反应提供更多的氧空位.0.9Pd/CeO_2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性,能在100℃实现CO的完全转化;通过计算发现,该催化剂具有较高的TOF值(0.63s~(-1)),由Arrhenius曲线可得到该催化剂的活化能为26.5 kJ/mol.综上可见:金属活性组分的尺寸和分散度、载体的结构特征、CO吸附能力以及金属-载体间的相互作用决定催化剂的性能Pd/CeO_2-nanotube的高比表面积有利于Pd的分散;其强CO吸附能力有利于CO吸附于Pd物种表面;催化剂表面丰富的Ce~(3+)能为反应提供更多的氧空位,Pd-O-Ce键的形成能增强金属-载体间的相互作用,有利于CO与催化剂表面晶格氧发生反应.同时催化剂介孔结构有利于反应气体和产物气体的吸附和扩散,因此,Pd/CeO_2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性.     

直接甲醇燃料电池阳极催化剂的新体系: 纳米TiO2-CNT-PtNi复合纳米催化剂

采用电合成前驱体Ti(OEt)4直接水解法和电化学扫描电沉积法制备纳米TiO2-CNT-PtNi复合纳米催化剂.透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明,纳米PtNi合金粒子(平均粒径8 nm)均匀地分散在纳米TiO2-CNT复合膜的三维网络结构中.通过暂态电化学方法研究表明,复合纳米催化剂的电化学活性比表面积为90 m2/g,对甲醇氧化具有很高的电催化活性和稳定性,常温常压下甲醇氧化峰电位为0.67和0.44 V,当温度为60℃时,氧化峰电位负移至0.64和0.30V,氧化峰电流密度高达1.38Mcm2.复合纳米催化剂对甲醇电氧化的高催化活性和稳定性可归因于多元复合纳米组分的协同催化作用,这种作用导致CO在复合纳米催化剂上的弱吸附,从而避免了催化剂的中毒.     

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂,在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是,单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如,在苯甲醇液相无溶剂氧化中,甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题,除了对载体进行改性和修饰外,开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性,但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅,然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下,作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长,形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化,催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成,并且随Ni负载量增加,甲苯的选择性(在80%等转化率下)由22.6%(单金属Pd)降低至1.6%(双金属Pd1Ni20).尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性,但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性,醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明,Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成,说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用,导致苯甲醇的吸附减弱,同时C–O键断裂不易进行.另外,由于Ni的亲氧性,双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附,降低吸附氢的浓度,减少C–H键生成,从而抑制甲苯的生成.     

Pt-Pb六边形纳米板电催化甲醇氧化反应中的表面元素分布效应

由于副产物CO可降低纯Pt催化剂的活性,因此双金属Pt基催化剂已经广泛用于提高直接甲醇燃料电池的性能.本文合成了Pt-Pb六边形纳米板,作为模型催化剂用于甲醇氧化反应(MOR),并通过乙酸(HAc)处理进一步控制纳米板表面Pt和Pb的分布,从而得到Pt-Pb合金表面均相分布的Pt-Pb纳米板以及非均匀分布的HAc处理的Pt-Pb纳米板.结果表明,与HAc处理的Pt-Pb纳米板相比, Pt-Pb纳米板的MOR催化活性和稳定性提高,这主要是由于亲氧性Pb的加入提高了CO容忍度并修饰了Pt的电子结构.     

Pt-Pb六边形纳米板电催化甲醇氧化反应中的表面元素分布效应（英文）

由于副产物CO可降低纯Pt催化剂的活性,因此双金属Pt基催化剂已经广泛用于提高直接甲醇燃料电池的性能.本文合成了Pt-Pb六边形纳米板,作为模型催化剂用于甲醇氧化反应(MOR),并通过乙酸(HAc)处理进一步控制纳米板表面Pt和Pb的分布,从而得到Pt-Pb合金表面均相分布的Pt-Pb纳米板以及非均匀分布的HAc处理的Pt-Pb纳米板.结果表明,与HAc处理的Pt-Pb纳米板相比, Pt-Pb纳米板的MOR催化活性和稳定性提高,这主要是由于亲氧性Pb的加入提高了CO容忍度并修饰了Pt的电子结构.     

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成（英文）

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂,在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是,单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如,在苯甲醇液相无溶剂氧化中,甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题,除了对载体进行改性和修饰外,开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性,但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅,然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下,作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长,形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化,催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成,并且随Ni负载量增加,甲苯的选择性(在80%等转化率下)由22.6%(单金属Pd)降低至1.6%(双金属Pd1Ni20).尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性,但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性,醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明,Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成,说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用,导致苯甲醇的吸附减弱,同时C–O键断裂不易进行.另外,由于Ni的亲氧性,双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附,降低吸附氢的浓度,减少C–H键生成,从而抑制甲苯的生成.     

用于燃料电池阳极的有序介孔碳负载的双功能Pt-M (M =Ru,Fe,Mo)电催化剂

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)不仅采用可再生的和环境友好的能源(如氢气和甲醇)作为燃料,而且转换效率高,因此被认为是潜在的能量转换设备.目前PEMFCs大多采用活性炭负载的贵金属作为其阴极和阳极的电催化剂,因此制造成本高,限制了它的实际应用.燃料电池电催化剂研发的一个紧迫的任务就是避免使用采用贵金属.直接甲醇燃料电池(DMFCs)阳极上进行的甲醇氧化反应(MOR)通常采用活性炭或多孔碳材料负载的Pt基双功能催化剂.在此基础上复合第二贵金属(如Ru)可改善其结构、电子和表面化学性质,表现出较高的稳定性和抗CO中毒性能,因而在MOR中具有优异的电催化活性.然而,在DMFCs长期运行期间,该Pt-Ru/C阳极催化剂大多出现严重的金属Ru溶解流失,以及燃料甲醇透过聚电解质膜的现象.因此,进一步提高pt-Ru/C电催化剂的稳定性成为当务之急.另外,考虑到膜电极的成本和PEMFCs的整体效率,在保持较好MOR活性的前提下,减少贵金属用量或采用非贵金属,甚至不用金属,进一步降低其成本也尤为重要,这也将十分有利于基础研究和实际的工业应用.采用软模板或硬模板法制得的有序介孔碳(OMCs)因具有高的比表面积、可调的中孔尺寸和表面官能团性质而广受关注,已经应用于催化剂载体,吸附剂,传感器和电极材料等领域.OMCs可负载Pt制成电催化剂而用于DMFCs/PEMFCs中.本课题组前期以介孔氧化硅SBA-15为硬模板剂,糠醇和三甲苯为初始碳源,Pt和Ru的乙酰丙酮化物为金属前驱体和次级碳源,采用一步法直接制备了OMC负载的高分散、高稳定性的单Pt和Pt-Ru双金属纳米粒子,在MOR中表现出优异的电催化活性和较高的稳定性性能,超过常用的商用催化剂,显示出较大的应用潜力.因此,本文采用类似的方法将高度分散的PtM(M=Ru,Fe,Mo)合金纳米粒子沉积于OMCs上,从而制得PtM-OMC(M=Ru,Fe,Mo)催化剂;同时采用N2物理吸附、X射线衍射、透射电镜、X射线吸收近边结构、扩展X射线吸收精细结构谱等手段对其结构组成、形貌和织构等物化性质进行了表征.结果表明,合金化的PtM纳米粒子的平均粒径约2-3 nm,且高度分散于OMC载体孔道内.另外,PtM纳米粒子中第二金属M(Ru,Fe,Mo)大多以还原态形式存在,形成了典型的核(Pt)-壳(M)结构.循环伏安法测量结果表明,在MOR反应中,所制PtM-OMC电极表现出较高的电催化活性和抗CO中毒性能,超过典型的活性炭负载的Pt-Ru催化剂.尤其值得一提的是,Pt-Fe-OMC催化剂不但具有非常高的稳定性,优越的抗CO性能,而且其催化MOR反应活性与PtRu-OMC的相当,因而具有更低的生产成本,所以Pt-Fe-OMC催化剂在DMFCs阳极电催化剂具有很大的应用前景.     

用于燃料电池阳极的有序介孔碳负载的双功能Pt-M(M=Ru,Fe,Mo)电催化剂（英文）

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)不仅采用可再生的和环境友好的能源(如氢气和甲醇)作为燃料,而且转换效率高,因此被认为是潜在的能量转换设备.目前PEMFCs大多采用活性炭负载的贵金属作为其阴极和阳极的电催化剂,因此制造成本高,限制了它的实际应用.燃料电池电催化剂研发的一个紧迫的任务就是避免使用采用贵金属.直接甲醇燃料电池(DMFCs)阳极上进行的甲醇氧化反应(MOR)通常采用活性炭或多孔碳材料负载的Pt基双功能催化剂.在此基础上复合第二贵金属(如Ru)可改善其结构、电子和表面化学性质,表现出较高的稳定性和抗CO中毒性能,因而在MOR中具有优异的电催化活性.然而,在DMFCs长期运行期间,该Pt-Ru/C阳极催化剂大多出现严重的金属Ru溶解流失,以及燃料甲醇透过聚电解质膜的现象.因此,进一步提高Pt-Ru/C电催化剂的稳定性成为当务之急.另外,考虑到膜电极的成本和PEMFCs的整体效率,在保持较好MOR活性的前提下,减少贵金属用量或采用非贵金属,甚至不用金属,进一步降低其成本也尤为重要,这也将十分有利于基础研究和实际的工业应用.采用软模板或硬模板法制得的有序介孔碳(OMCs)因具有高的比表面积、可调的中孔尺寸和表面官能团性质而广受关注,已经应用于催化剂载体,吸附剂,传感器和电极材料等领域.OMCs可负载Pt制成电催化剂而用于DMFCs/PEMFCs中.本课题组前期以介孔氧化硅SBA-15为硬模板剂,糠醇和三甲苯为初始碳源,Pt和Ru的乙酰丙酮化物为金属前驱体和次级碳源,采用一步法直接制备了OMC负载的高分散、高稳定性的单Pt和Pt-Ru双金属纳米粒子,在MOR中表现出优异的电催化活性和较高的稳定性性能,超过常用的商用催化剂,显示出较大的应用潜力.因此,本文采用类似的方法将高度分散的PtM(M=Ru,Fe,Mo)合金纳米粒子沉积于OMCs上,从而制得PtM-OMC(M=Ru,Fe,Mo)催化剂;同时采用N_2物理吸附、X射线衍射、透射电镜、X射线吸收近边结构、扩展X射线吸收精细结构谱等手段对其结构组成、形貌和织构等物化性质进行了表征.结果表明,合金化的PtM纳米粒子的平均粒径约2-3 nm,且高度分散于OMC载体孔道内.另外,PtM纳米粒子中第二金属M(Ru,Fe,Mo)大多以还原态形式存在,形成了典型的核(Pt)-壳(M)结构.循环伏安法测量结果表明,在MOR反应中,所制PtM-OMC电极表现出较高的电催化活性和抗CO中毒性能,超过典型的活性炭负载的Pt-Ru催化剂.尤其值得一提的是,Pt-Fe-OMC催化剂不但具有非常高的稳定性,优越的抗CO性能,而且其催化MOR反应活性与PtRu-OMC的相当,因而具有更低的生产成本,所以Pt-Fe-OMC催化剂在DMFCs阳极电催化剂具有很大的应用前景.     

直接甲醇燃料电池阳极催化剂的新体系: 纳米TiO2-CNT-PtNi复合纳米催化剂

采用电合成前驱体Ti(OEt)₄直接水解法和电化学扫描电沉积法制备纳米TiO₂-CNT-PtNi复合纳米催化剂. 透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)测试结果表明, 纳米PtNi合金粒子(平均粒径8 nm)均匀地分散在纳米TiO₂-CNT复合膜的三维网络结构中. 通过暂态电化学方法研究表明, 复合纳米催化剂的电化学活性比表面积为90 m²/g, 对甲醇氧化具有很高的电催化活性和稳定性, 常温常压下甲醇氧化峰电位为0.67和0.44 V, 当温度为60 ℃时, 氧化峰电位负移至0.64和0.30 V, 氧化峰电流密度高达1.38 A/cm². 复合纳米催化剂对甲醇电氧化的高催化活性和稳定性可归因于多元复合纳米组分的协同催化作用, 这种作用导致CO在复合纳米催化剂上的弱吸附, 从而避免了催化剂的中毒.     

部分氧化碳化硅提高钯催化氧还原反应性能

燃料电池具有能量转换效率高的优点,是能量转换与储存的高效器件之一.目前,燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,并且催化ORR大量使用铂碳(Pt/C)催化剂,由于Pt储量少,价格高,载体碳材料易发生碳蚀导致催化剂稳定性降低,限制了其进一步商业化应用.钯(Pd)与Pt为同族元素,具有相似的电子结构和化学性质,其储量是Pt的50倍,同时,Pd具有良好的抗甲醇毒性和抗一氧化碳毒性,因此,被视为燃料电池中阴极Pt催化剂的潜在替代品.但商用Pd/C催化剂的ORR活性较Pt/C差,因此,大量的研究工作集中在提高Pd基ORR催化剂的活性方面:将Pd与具有3d轨道的金属形成合金或将Pd负载到不同的载体上.通过选择合适的载体影响Pd的电子结构,从而提高催化剂活性和稳定性,是一种较简单的、有利于规模化生产Pd基ORR催化剂的方法.碳化硅(SiC)具有良好的电化学稳定性、热稳定性、机械强度和较强的供电子能力,可被用作ORR的金属催化剂载体.然而,由于金属与SiC作用较弱,需要制备特殊形貌的SiC或将SiC表面改性;通常,这些SiC基载体的制备过程复杂并且成本高.而在有氧条件下制备、保存或使用SiC时,其表面不可避免地被氧化,这种在温和条件下生成的表面具有含氧官能团的SiC,由于制备过程简便,可以大规模生产,且与金属有强的相互作用,是一种很有前景的ORR的Pd基催化剂载体.对于用于替代Pt基催化剂的负载型Pd基ORR催化剂的开发和大规模制造来说,对载体表面改性的深入了解是一个重要并且具有挑战性的课题.目前尚未发现关于SiC表面的含氧基团对ORR性能影响的报道.因此,详细考察SiC载体上含氧基团在ORR中的作用对于理解、设计和开发具有优异ORR性能的SiC负载催化剂至关重要.本文采用沉积沉淀法在表面部分氧化的碳化硅(O-SiC)均匀负载了平均直径为5.2 nm的Pd纳米颗粒.与20 wt%商业Pt/C相比,制备的2.5 wt%Pd/O-SiC催化剂显示出较好的ORR活性(半波电位正向移动10 mV),较好的稳定性(10 h后,电流密度损失3.5%vs.34.9%),和较高的抗甲醇毒性.结构表征及密度泛函理论(DFT)计算结果表明,与Pd/C相比,Pd/O-SiC具有优异的ORR性能主要是由于O-SiC载体对Pd纳米颗粒具有电子调控作用,使Pd带负电.富电子Pd增强了ORR关键中间体OOH的吸附,降低了反应的吉布斯自由能,从而提高了ORR活性.另外,O-SiC载体对Pd纳米颗粒具有大的结合能和较好的SiC稳定性,增强了Pd/O-SiC催化剂的抗甲醇毒性及稳定性.DFT计算结果表明,SiC表面部分氧化后,仍保持对Pd的较高结合能,同时大幅增强了催化剂对中间体的吸附,降低了ORR关键电化学步骤吉布斯自由能,从而提高了氧还原性能.因此,本工作明确了SiC表面氧化的作用,同时提供了一种简易大规模制备高效负载型铂基替代ORR催化剂的策略.     

部分氧化碳化硅提高钯催化氧还原反应性能（英文）

燃料电池具有能量转换效率高的优点,是能量转换与储存的高效器件之一.目前,燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,并且催化ORR大量使用铂碳(Pt/C)催化剂,由于Pt储量少,价格高,载体碳材料易发生碳蚀导致催化剂稳定性降低,限制了其进一步商业化应用.钯(Pd)与Pt为同族元素,具有相似的电子结构和化学性质,其储量是Pt的50倍,同时, Pd具有良好的抗甲醇毒性和抗一氧化碳毒性,因此,被视为燃料电池中阴极Pt催化剂的潜在替代品.但商用Pd/C催化剂的ORR活性较Pt/C差,因此,大量的研究工作集中在提高Pd基ORR催化剂的活性方面:将Pd与具有3d轨道的金属形成合金或将Pd负载到不同的载体上.通过选择合适的载体影响Pd的电子结构,从而提高催化剂活性和稳定性,是一种较简单的、有利于规模化生产Pd基ORR催化剂的方法.碳化硅(SiC)具有良好的电化学稳定性、热稳定性、机械强度和较强的供电子能力,可被用作ORR的金属催化剂载体.然而,由于金属与SiC作用较弱,需要制备特殊形貌的SiC或将SiC表面改性;通常,这些SiC基载体的制备过程复杂并且成本高.而在有氧条件下制备、保存或使用SiC时,其表面不可避免地被氧化,这种在温和条件下生成的表面具有含氧官能团的SiC,由于制备过程简便,可以大规模生产,且与金属有强的相互作用,是一种很有前景的ORR的Pd基催化剂载体.对于用于替代Pt基催化剂的负载型Pd基ORR催化剂的开发和大规模制造来说,对载体表面改性的深入了解是一个重要并且具有挑战性的课题.目前尚未发现关于SiC表面的含氧基团对ORR性能影响的报道.因此,详细考察SiC载体上含氧基团在ORR中的作用对于理解、设计和开发具有优异ORR性能的SiC负载催化剂至关重要.本文采用沉积沉淀法在表面部分氧化的碳化硅(O-SiC)均匀负载了平均直径为5.2 nm的Pd纳米颗粒.与20 wt%商业Pt/C相比,制备的2.5 wt%Pd/O-SiC催化剂显示出较好的ORR活性(半波电位正向移动10 mV),较好的稳定性(10 h后,电流密度损失3.5%vs.34.9%),和较高的抗甲醇毒性.结构表征及密度泛函理论(DFT)计算结果表明,与Pd/C相比, Pd/O-SiC具有优异的ORR性能主要是由于O-SiC载体对Pd纳米颗粒具有电子调控作用,使Pd带负电.富电子Pd增强了ORR关键中间体OOH的吸附,降低了反应的吉布斯自由能,从而提高了ORR活性.另外, O-SiC载体对Pd纳米颗粒具有大的结合能和较好的SiC稳定性,增强了Pd/O-SiC催化剂的抗甲醇毒性及稳定性.DFT计算结果表明, SiC表面部分氧化后,仍保持对Pd的较高结合能,同时大幅增强了催化剂对中间体的吸附,降低了ORR关键电化学步骤吉布斯自由能,从而提高了氧还原性能.因此,本工作明确了SiC表面氧化的作用,同时提供了一种简易大规模制备高效负载型铂基替代ORR催化剂的策略.     

水滑石负载钯催化剂上的醇无氧脱氢反应

 研究了多种载体负载 Pd 催化剂上苯甲醇无氧脱氢反应. 结果发现, 以兼具较强酸性和碱性的水滑石 (HT) 为载体时, Pd 催化剂具有优异的苯甲醇转化活性和苯甲醛选择性, 当 Pd 含量为 0.32%~0.55% 时催化性能最佳. Pd/HT 催化剂可重复使用, 且对于含推电子取代基的芳香醇、2-噻吩甲醇、α,β-不饱和醇与环状脂肪醇等的直接脱氢反应均具有较好催化性能. HT 表面的 Pd(II) 物种反应后转变为平均粒径为 2.0~2.5 nm 的 Pd 纳米粒子或纳米簇. 具有较高分散度的 Pd(II) 物种易转变为较小的 Pd 纳米粒子, 从而具有较佳的催化性能. 本文推测, 催化剂表面的碱性位可促进苯甲醇 O–H 键的活化, 形成 Pd-苯甲氧基中间体, 该中间体进一步脱氢生成苯甲醛和 Pd-H 物种; 而催化剂表面的质子酸位可与 Pd-H 作用, 促进 H2 的脱除.     

钯铜纳米电催化剂的制备方法及应用

贵金属钯(Pd)基纳米材料是一类具有优异催化活性的电催化材料,其中钯-铜(Pd-Cu)二元材料由于具有低成本和高活性的优点,近年来备受瞩目。铜(Cu)的引入不但降低了Pd的用量,还带来了诸如配体效应、应力效应、聚集体效应等协同作用,这为优化材料的电催化性能带来了多种切入角度。特殊形貌及结构的构建可以使催化剂暴露更多的活性位点,增大电化学活性表面积,提高电催化性能。此外,对Pd-Cu组分的调整或构建复合结构可以实现对d带中心的调控,从而优化电极界面吸附能,最终实现增强活性和改善稳定性的目的。本文总结了具有球形、多面体、核壳、多孔、枝晶状以及单原子等结构的Pd-Cu二元材料的制备方法,并概述了它们在有机小分子(甲醇、乙醇、甲酸等)电氧化、无机小分子(氧、二氧化碳、氮、水等)电还原以及化学镀铜上的应用。最后展望了Pd-Cu电催化剂的发展前景。     

有机官能化介孔硅基材料负载纳米金催化剂的制备及其催化性能

一步合成了桥键嵌入二硫醚官能化介孔硅基材料(PMO-SBA-15),利朋介孔硅基材料孔道内表面的二硫醚基团捕获纳米金(Au)粒子的作用,获得了负载型纳米Au催化剂(Au-PMO-SBA-15).小角X射线衍射和低温N2吸附-脱附的结果表明,PMO-SBA-15和Au-PMO-SBA-15均保持典型的介孔结构;高分辨透射电镜观察到纳米Au粒子在载体孔道内分散均匀,甲均粒径为(2.2±0.2)nm.以70%的叔丁基过氧化氧水溶液为氧化剂,考察了纳米Au催化剂Au-PMO-SBA-15在苯甲醇氧化反应中的催化性能.结果表明,当反应温度为353 K、反应时间为5 h时,苯甲醇的转化率为29.1%,苯甲醛的选择性为100%,且催化剂重复使用7次其催化活性和苯甲醛选择性基奉不变.     

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.     

室温制备高合金化Pt-Ru/CMK-3催化剂及其对甲醇的电催化氧化

通过低温络合反应制备了高分散高合金化的Pt-Ru固溶体, 并将其均匀地担载在有序介孔碳CMK-3上, 以形成二元复合金属催化剂. XRD谱图表明,fcc结构的Pt原子部分被hcp结构的Ru原子取代形成置换固溶体， 而且几乎没有未形成合金的Ru存在. TEM和XRD研究结果表明， Pt-Ru/CMK-3催化剂中Pt-Ru合金粒子的平均粒径为27 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, 研究结果表明, Pt-Ru/CMK-3催化剂具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它同类催化剂.     

电化学去合金化Pt(Pd)-Cu对氧的电催化还原活性的研究

应用电化学去合金法制备了表面覆盖有Pt(Pd)原子层的Pt(Pd)-Cu合金催化剂.研究该催化剂在0.1mol.L-1HClO4酸性溶液中对氧气电化学还原的催化活性,并采用同步辐射反常X-射线衍射法(Anomalous X-ray Diffraction,AXRD)和表面X-射线散射法(Surface X-ray Scattering,SXS)从原子尺度研究了去合金化后催化剂的结构.分析对比纳米颗粒、薄膜和单晶3种不同形式的去合金化Pt-Cu的结构和催化活性以及Pt-Cu和Pd-Cu两种不同合金薄膜的结构和催化活性.结果表明,表面应力是影响催化剂催化活性的关键因素,而应力大小则与去合金化后所形成的表面Pt(Pd)层的厚度相关,材料尺寸和组成元素等都影响表面Pt(Pd)层的厚度.提出可利用调控材料表面的应力来设计高催化活性的催化剂.     

磷钨酸修饰活性炭载Pd催化剂的制备及对甲酸氧化的电催化性能简

通过水浴浸泡制备了磷钨酸(PWA)修饰的活性炭(PWA/C),再通过液相还原法将Pd沉积于PWA/C复合载体上制备了Pd-PWA/C催化剂. 采用X射线能量色散(EDS)谱、X射线衍射(XRD)谱、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对产物进行表征. 结果表明,磷钨酸修饰活性炭不仅能有效降低Pd纳米粒子的粒径,而且与Pd纳米粒子间发生了强烈作用. 电化学测试结果显示,Pd-PWA/C催化剂对甲酸氧化的电催化活性和稳定性均远优于Pd/C催化剂,这是由于Pd与PWA/C间的强烈作用既能有效降低CO在催化剂上的吸附强度和吸附量,又能降低甲酸分解的速率,从而减弱CO的毒化作用.