在氢气氧化反应中具有高催化活性的Pt修饰的Ni/C纳米催化剂

随着能源需求的进一步增多和化石能源的大幅度减少,新型环境友好型能源成为近十年许多科研工作者的着力点.其中,燃料电池作为一种高效率、高能量密度、环境友好型能源引起了人们的关注.氢氧燃料电池研究最早、应用最早,具有得天独厚的优势.此外,由于近些年CO2的大量排放,造成了严重的温室效应,其处理也是一个严峻的课题.谢和平课题组提出的CO2矿化发电,不仅可以处理CO2,也可以作为新型能源应用,前景广阔.而不论是氢氧燃料电池还是CO2矿化电池,其阳极反应均为氢气氧化反应(HOR).Pt作为目前仍无法取代的HOR反应催化剂,不仅全球储量有限且价格昂贵,所以,寻找一种价格低廉催化性能好的催化剂成为这些新能源进一步应用的重要课题之一.对此人们进行了大量探索,主要包括尝试不同的载体、改变金属颗粒尺寸形貌等.其中,伽伐尼置换法对于制备纳米核壳结构催化剂以及降低金属颗粒尺寸、增加比表面积均有很大帮助.基于此,本文采用浸渍法和伽伐尼置换法制备了用Pt修饰Ni/C的纳米催化剂,使得纳米级活性金属均匀分散在载体上,加之双金属效应,相对于纯Pt/C催化剂,催化能力提高.浸渍法制得Ni/C前驱体,再将其置于纯乙醇中,用H2PtCl6作为Pt源置换部分Ni,得到Pt修饰的Ni/C催化剂.XRD射线衍射测试结果表明,一般的PtNi合金由于晶格相互影响,只会出现Pt的偏移衍射峰,而该催化剂均出现明显的PtNi两种元素的衍射峰,PtNi晶格互相没有影响.循环伏安法测试结果表明,在Pt-Ni/C系列催化剂中,Pt和Ni含量不同,其电化学活性面积(ECSA)各不相同.在金属总含量一致的前提下,随着Pt含量的增加,催化剂ECSA先增加后减小,最大值为66.90 m2/g,是市售Pt/C(54.12 m2/g)的1.24倍.Tafel测试HOR/HER反应交换电流密度的结果与ECSA结果一致,而Pt-Ni/C催化剂的交换电流密度最高可达485.45 A/g,是市售Pt/C(301.91 A/g)的1.6倍.对性能较好的Pt-Ni/C催化剂进行了表征,X射线光电子能谱结果发现,该催化剂载体上只有少部分Ni的氧化物裸露在表面,大部分为Pt.而透射电镜结果表明,该催化剂纳米级活性金属颗粒尺寸一致,且均匀地分散在载体表面.综合催化剂表征和电化学性能测试结果可知,使用伽伐尼置换法得到的Pt修饰的Ni/C催化剂分散均匀、颗粒尺寸小,且由于Pt作为主要催化活性金属分散于催化剂表面,而Ni作为辅助金属并不直接参与HOR反应,使得该催化剂具有较高的电化学活性.在Pt含量较少时,由于有很多Ni在催化剂表面,且催化层厚度较大,故催化活性一般.随着Pt含量的增加和Ni含量的减少,当催化剂表面只有很少Ni及相关化合物时,由于Pt比表面积大,故活性最高.当Pt含量继续增加时,Pt在Ni表面厚度增加,很多Pt被包裹,故催化活性再次降低.     

Pt单层修饰Pd/C氧还原催化剂

分别利用液相热解法和浸渍还原法制备了碳载钯纳米催化剂（Pd/C）,并研究了其对氧还原反应的电催化活性。与浸渍还原法相比,液相热解法得到的Pd/C催化剂虽然粒径较大,但表现出较好的氧还原反应（ORR）活性和稳定性.在所制备的Pd/C催化剂基础上,通过置换欠电势沉积的Cu原子单层,获得了Pt单层修饰的Pd/C催化剂,其ORR活性较Pd/C催化剂有显著提高,且与纯Pt/C催化剂接近,而其耐久性则较纯Pt/C催化剂有显著提升,显示出Pt单层催化剂的潜在优势.     

在氢气氧化反应中具有高催化活性的Pt修饰的Ni/C纳米催化剂（英文）

随着能源需求的进一步增多和化石能源的大幅度减少,新型环境友好型能源成为近十年许多科研工作者的着力点.其中,燃料电池作为一种高效率、高能量密度、环境友好型能源引起了人们的关注.氢氧燃料电池研究最早、应用最早,具有得天独厚的优势.此外,由于近些年CO_2的大量排放,造成了严重的温室效应,其处理也是一个严峻的课题.谢和平课题组提出的CO_2矿化发电,不仅可以处理CO_2,也可以作为新型能源应用,前景广阔.而不论是氢氧燃料电池还是CO_2矿化电池,其阳极反应均为氢气氧化反应(HOR).Pt作为目前仍无法取代的HOR反应催化剂,不仅全球储量有限且价格昂贵,所以,寻找一种价格低廉催化性能好的催化剂成为这些新能源进一步应用的重要课题之一.对此人们进行了大量探索,主要包括尝试不同的载体、改变金属颗粒尺寸形貌等.其中,伽伐尼置换法对于制备纳米核壳结构催化剂以及降低金属颗粒尺寸、增加比表面积均有很大帮助.基于此,本文采用浸渍法和伽伐尼置换法制备了用Pt修饰Ni/C的纳米催化剂,使得纳米级活性金属均匀分散在载体上,加之双金属效应,相对于纯Pt/C催化剂,催化能力提高.浸渍法制得Ni/C前驱体,再将其置于纯乙醇中,用H_2PtCl_6作为Pt源置换部分Ni,得到Pt修饰的Ni/C催化剂.XRD射线衍射测试结果表明,一般的PtNi合金由于晶格相互影响,只会出现Pt的偏移衍射峰,而该催化剂均出现明显的PtNi两种元素的衍射峰,PtNi晶格互相没有影响.循环伏安法测试结果表明,在Pt-Ni/C系列催化剂中,Pt和Ni含量不同,其电化学活性面积(ECSA)各不相同.在金属总含量一致的前提下,随着Pt含量的增加,催化剂ECSA先增加后减小,最大值为66.90 m~2/g,是市售Pt/C(54.12 m~2/g)的1.24倍.Tafel测试HOR/HER反应交换电流密度的结果与ECSA结果一致,而Pt-Ni/C催化剂的交换电流密度最高可达485.45 A/g,是市售Pt/C(301.91 A/g)的1.6倍.对性能较好的Pt-Ni/C催化剂进行了表征,X射线光电子能谱结果发现,该催化剂载体上只有少部分Ni的氧化物裸露在表面,大部分为Pt.而透射电镜结果表明,该催化剂纳米级活性金属颗粒尺寸一致,且均匀地分散在载体表面.综合催化剂表征和电化学性能测试结果可知,使用伽伐尼置换法得到的Pt修饰的Ni/C催化剂分散均匀、颗粒尺寸小,且由于Pt作为主要催化活性金属分散于催化剂表面,而Ni作为辅助金属并不直接参与HOR反应,使得该催化剂具有较高的电化学活性.在Pt含量较少时,由于有很多Ni在催化剂表面,且催化层厚度较大,故催化活性一般.随着Pt含量的增加和Ni含量的减少,当催化剂表面只有很少Ni及相关化合物时,由于Pt比表面积大,故活性最高.当Pt含量继续增加时,Pt在Ni表面厚度增加,很多Pt被包裹,故催化活性再次降低.     

Pd/C和Raney Ni催化剂的制备及其催化活性比较

制备了Pd/C和Raney Ni催化剂,其结构和性能经XRD,BET和SEM表征。并以呋喃加氢制备四氢呋喃为探针反应,对两种催化剂的催化活性进行了比较,探讨了反应温度、反应压力和催化剂用量对转化率和选择性的影响,结果表明:Raney Ni的催化活性优于Pd/C。     

Ni对Pt/SAPO-11催化剂物化及异构性能影响

通过浸渍法制备了Pt/SAPO-11催化剂,分步浸渍法制备了Ni-Pt/SAPO-11双金属催化剂。通过X射线衍射、低温氮物理吸附、氨程序升温脱附和吡啶吸附红外等手段对所得样品进行了表征。结果表明,助剂Ni的引入导致了催化剂的比表面积和孔容降低,同时,催化剂的B酸量、L酸量及总酸量均有所下降。在340℃时对正庚烷的临氢异构化反应中,当Pt含量0.2wt%时,Pt/SAPO-11催化剂的正庚烷转化率为45%,C7异构体收率为43%;而当Pt含量0.2wt%,同时Ni含量为0.2wt%时,Ni-Pt/SAPO-11催化剂的正庚烷转化率提高至72%,C7异构体收率提高至60%。     

溶剂热助乙二醇还原法制备Pt/C催化剂过程中酸碱配位机制及工艺参数优化

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)能量转换率高,反应产物仅为H2O、不造成污染,是一种极具发展前景的能源转换装置.然而, PEMFCs的阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢、过电位高.由于Pt对ORR中间产物脱吸附能适中,因此, Pt/C成为电催化ORR的商业化催化剂,对其制备技术的研究成为该领域的研究热点.乙二醇(EG)还原法制备碳载Pt基催化剂是一种常见方法, EG作为还原剂的同时,还起到保护剂和分散剂的作用,使制备的催化剂具有均一性.EG在外界能量的活化下,分解生成H2O和CH3CHO, CH3CHO作为还原剂将H2Pt Cl6还原生成Pt单质颗粒,同时生成的CH3COO-由于静电排斥可以防止Pt粒子团聚.常见的外界能量的活化方法有脉冲微波法、回流法、溶剂热法等,其中溶剂热法采用高压釜作为反应容器,抗干扰能力强,工艺操作简单、反应快速、耗能较少、成本低廉,极易于实现工业化生产;值得注意的是,无论使用何种方法对Pt前驱体混合液给予活化能使其发生还原,其碱的含量都会对最终所得催化剂的电催化ORR活性有着显著的影响,因此,通过跟踪前驱体混合液中含Pt物种的变化路径,揭示催化剂制备过程中的碱调控机理,实现加入碱的定量化,对于大规模制备高效Pt/C催化剂具有重要的意义.因此,本文采用溶剂热助EG还原法合成Pt/C催化剂的技术,创新联用UV-vis和H+浓度探针技术,揭示了前驱体混合液中含Pt物种的配位过程,实现了加入碱的定量化.发现当m(Na OH):m(Pt)达到2:1时, Pt配位完成;进而通过优化反应温度、反应时间等参数,成功制备了高效Pt/C催化剂:当反应温度为140 oC,反应时间为2 h时,所得催化剂在酸性条件下,相对于商业化Pt/C具有更高的电催化ORR活性,其起始ORR还原电位达到0.95 V(商业化Pt/C为0.90 V),半波电位为0.82 V(商业化Pt/C为0.75 V),该工作对于工业化大批量生产高效Pt/C催化剂具有重要的意义.     

活性炭负载Pt-Ni双金属催化剂上甘油水溶液原位加氢反应性能

采用KBH4液相还原法制备了系列活性炭(AC)负载的Pt-M(M=Fe,Ni,Co,Zn,Cu)双金属催化剂,考察了该系列催化剂对甘油水溶液原位加氢制备1,2-丙二醇反应的催化性能.结果表明,当Pt负载量(质量分数)为2.0%,Pt/Ni质量比为1∶1时,在220℃和1.0 MPa氮气压力下反应8 h,2%Pt-2%Ni/AC催化剂上甘油转化率和1,2-丙二醇选择性分别达到98.7%和60.5%;且在5次重复使用过程中,催化剂保持较高的稳定性.采用氮气物理吸附-脱附实验、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)及X射线光电子能谱(XPS)等对催化剂的结构和形貌进行了表征.结果表明,粒径约为2 nm的纳米颗粒在活性炭载体上均匀分散,纳米粒子中金属多以还原态形式存在,Ni原子进入Pt晶格中形成的Pt-Ni物种使Pt与Ni之间表现出强相互作用力.通过比较Pt/AC,Ni/AC与Pt-Ni/AC双金属催化剂的催化性能,推断Pt能够促进甘油水溶液重整而Ni有利于氢解反应,Pt-Ni金属间协同作用是Pt-Ni/AC催化剂对甘油原位加氢反应具有优良催化性能的重要原因.     

碱性条件下Pt-M(Ni, Fe, Mo)/C电催化氧化甲醇的性能对比研究

采用溶胶法制备了碳载Pt-M(M为Ni, Fe, Mo)电催化剂, 并用TEM和XRD技术表征活性物微观结构, 实验结果表明, Pt基合金微粒在碳黑表面分布均匀, 粒径约为2~4 nm. 用循环伏安法测定催化剂在不同碱性条件下的活性, 研究结果表明, 不同掺杂元素催化剂的活性大小顺序为Pt75Ni25/C>Pt75Fe25/C>Pt50Mo50/C, 掺杂Ni可明显地促进纳米Pt的催化活性, Pt75Ni25/C在1.0 mol/L NaOH+1.0 mol/L CH3OH溶液中的峰电流密度可以达到726.9 mA/mg.     

甲烷部分氧化制合成气Pt-Ni/Al~2O~3催化剂的研究

研究了Ni/Al~2O~3,Pt/Al~2O~3和一系列Pt-Ni/Al~2O~3催化剂对甲烷部分氧化制合成气的催化作用,发现Pt-Ni/Al~2O~3催化剂显示了比Ni/Al~2O~3和Pt/Al~2O~3更高的活性和稳定性。H~2-TPR,CO-TPD,CO~2-TPD,SEM,XPS和XRD等结果证明:Pt和Ni之间存在较强的相互作用,Pt和部分Ni形成固溶体合金并且Pt在催化剂表面富集。Pt和Ni之间的相互作用提高了催化剂的活性和稳定性,甲烷在Pt-Ni/Al~2O~3上的催化部分氧化具有不同于在Pt/Al~2O~3和Ni/Al~2O~3上的反应性能。     

CeO2修饰的Pt/Ni催化剂在碱性溶液中对乙醇电催化氧化性能的增强

有机小分子直接燃料电池具有高能量密度和转换效率、易贮存及运输方便等优点.在过去几十年,有机小分子化合物尤其是乙醇的电催化氧化引起了研究者的关注,高活性和稳定性及低价格的电催化剂的设计和制备一直是乙醇燃料电池的研究热点.本文采用复合电沉积方法制备了Ni和CeO2复合镀层,然后利用Ni置换铂前驱体中Pt的方法制备了纳米CeO2修饰的Pt/Ni电催化剂(Pt/Ni-CeO2).采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等手段表征了所制样品的组成和相结构、表面形貌及组成成份.XRD结果表明,所制Pt/Ni催化剂主要是PtNi合金相结构.与Pt/Ni相比,Pt/Ni-CeO2催化剂的XRD峰强明显变弱,表明纳米CeO2修饰的Pt/Ni电催化剂的结晶性较差或者其晶体颗粒较小.这可能是由于CeO2的共沉积阻止了Ni纳米颗粒的进一步生长或团聚.当电镀液中CeO2含量为50和100 mg/L时,所制Pt/Ni-CeO2催化剂样品Pt/NiCe1和Pt/NiCe2的XRD谱上未观察到CeO2相关的衍射峰,这主要可归因于催化剂中沉积的CeO2量少或其高度分散.随着电镀液中CeO2浓度进一步增大到200 mg/L时,在Pt/Ni-CeO2催化剂(Pt/NiCe4)的XRD谱上出现了CeO2相关的衍射峰.这表明采用复合电沉积-化学还原法可以成功制备CeO2修饰的Pt/Ni电催化剂.SEM结果显示,所制催化剂都是由团聚状态的纳米颗粒组成,并且Pt/NiCe2表现出比Pt/Ni更开放的微结构,从而有利于反应物扩散至催化剂内部.该结果进一步表明共沉积的CeO2对所制Pt/Ni催化剂微结构的影响.此外,EDS结果也证实成功制备了CeO2修饰的Pt/Ni电催化剂.采用多次循环伏安、电流时间曲线和电化学阻抗谱(EIS)等手段研究了所制电催化剂的电化学性能.与Pt/Ni相比,Pt/Ni-CeO2催化剂表现出更好的电催化氧化乙醇活性和稳定性,这可能与CeO2的贮氧特性及其共沉积增大了电极的粗糙度有关.红外光谱测试结果表明,在CeO2修饰的Pt/Ni电催化剂催化氧化乙醇过程中,CH3COO?可能是乙醇氧化的主要产物.在所制催化剂中,CeO2含量影响其电催化氧化乙醇性能.循环伏安和电流时间曲线测试结果表明,随着催化剂中CeO2含量增大,催化剂活性先增加后减弱.电化学阻抗谱结果表明,随着CeO2含量增大,CeO2修饰的Pt/Ni电催化剂的接触电阻先增大后变小再变大;而电荷转移电阻不断变小.在电解液中含有100 mg/L CeO2时所制电催化剂(Pt/NiCe2)具有最佳的电催化氧化乙醇活性和稳定性.这主要与CeO2的贮氧功能、Pt与CeO2/Ni间的相互作用和其较小的接触电阻和电荷转移电阻有关.该结果可为设计和制备低价格、高活性乙醇燃料电池中的催化剂提供思路.     

Pt–Ni carbon-supported catalysts for methanol oxidation prepared by Ni electroless deposition and its galvanic replacement by Pt

Pt–Ni particles supported on Vulcan XC72R carbon powder have been prepared by a combination of crystalline Ni electroless deposition and its subsequent partial galvanic replacement by Pt upon treatment of the Ni/C precursor by a solution of chloroplatinate ions. The Pt-to-Ni atomic ratio of the prepared catalyst has been confirmed by EDS analysis to be ca. 1.5:1. No shift of Pt XPS peaks has been observed, indicating no significant modification of its electronic properties, whereas the small shift of the corresponding X-ray diffraction (XRD) peaks indicates the formation of a Pt-rich alloy. No Ni XRD peaks have been observed in the XRD pattern, suggesting the existence of very small pockets of Ni in the core of the particles. The surface electrochemistry of electrodes prepared from the catalyst material suggests the existence of a Pt shell. A moderate increase in intrinsic catalytic activity towards methanol oxidation in acid has been observed with respect to a commercial Pt catalyst, but significant mass specific activity has been recorded as a result of Pt preferential confinement to the outer layers of the catalyst nanoparticles.     

Preparation of Pt／C Catalyst with Solid Phase Reaction Method

The Pt/C catalyst was prepared with solid phase reaction method (Pt/C(S)) for the first time.Its Performances were compared with that prepared by the traditional liquid phase reaction method. The results demonstrate that the electrocatalytic activity of Pt/C catalyst with solid phase reaction method for methanol oxidation is higher than that with liquid phase reaction method. XRD and TEM measurements indicate that the Pt/C(S) possesses low crystalline extent and small particle size.     

Surface properties of Ni-Pt/SiO2 catalysts for N2O decomposition and reduction by H2

The surface properties of bimetallic Ni-Pt/SiO2 catalysts with variable Ni/Ni + Pt atomic ratio (0.75, 0.50, and 0.25) were studied using N2O decomposition and N2O reduction by hydrogen reactions as probes. Catalysts were prepared by incipient wetness impregnation of the silica support with aqueous solutions of the metal precursors to a total metal loading of 2 wt %. For both model reactions, Pt/SiO2 catalyst was substantially more active than Ni/SiO2 catalyst. Mean particle size by TEM was about the same (in the range 6-8 nm) for all catalysts and truly bimetallic particles (more than 95%) were evidenced by EDS in the Ni-Pt/SiO2 catalysts. CO adsorption on the bimetallic catalysts showed differences in the linear CO absorption band as a function of the Ni/Pt atomic ratio. Bimetallic Ni-Pt/SiO2 catalysts showed, for the N2O decomposition, a catalytic behavior that points out an ensemble-size sensitive behavior for Ni-rich compositions. For the N2O + H2 reaction, the bimetallic catalysts were very active at low temperature. The following activity order at 300 K was observed: Ni75Pt25 > Ni25Pt75 approximately Ni50Pt50 > Pt. TOF values for these catalysts increased 2-5 times compared to the most active reference catalyst (Pt/SiO2). The enhancement of the activity in the Ni75Pt25 bimetallic catalysts is explained in terms of the presence of mixed Ni-Pt ensembles.     

A novel Pt/Au/C cathode catalyst for direct methanol fuel cells with simultaneous methanol tolerance and oxygen promotion

A novel Pt/Au/C catalyst was prepared by depositing the Pt and Au nanoparticles on the carbon support. The synthesized catalysts were characterized by energy-dispersive X-ray (EDX) and transmission electron microscopy (TEM), and electrochemically analyzed for activity towards oxygen-reduction reaction and methanol oxidation reaction. EDX and TEM results reveal that Pt nanoparticles supported on carbon supports were separated by Au nanoparticles. The electrochemical analysis indicate that the novel catalyst showed the enhanced methanol tolerance while maintaining a high catalytic activity for the oxygen-reduction reaction, which could be attributed to the less methanol adsorption on Pt/Au/C catalyst.     

General synthesis of Pt and Ni co-doped porous carbon nanofibers to boost HER performance in both acidic and alkaline solutions

It is essential to develop efficient electrocatalysts to generate hydrogen from water electrolysis for hydrogen economy. In this work, platinum(Pt) and nickel(Ni) co-doped porous carbon nanofibers(Pt/NiPCNFs) with low Pt content were prepared via an electrospinning, carbonization and galvanic replacement reaction. Because of the high electrical conductivity, abundant electrochemical active sites and synergistic effect between Pt and Ni nanoparticles, the optimized Pt/Ni-PCNFs catalyst shows an e...     

固相反应制备的Pt/C催化剂对乙醇氧化的电催化活性

用固相反应法制备了Pt/C催化剂(Pt/C(s))，并研究了该催化剂对乙醇氧化的电催化活性. XRD和TEM测量表明， Pt/C(s)中Pt的平均粒径为3.8 nm，结晶度为2.38，远小于用传统的液相还原方法制得的Pt/C催化剂(Pt/C(l))的平均粒径(8.5 nm)和结晶度(5.56).因此, Pt/C(s)对乙醇的电催化氧化性能远好于液相还原法制得的Pt/C(l).     

ORR催化剂Nim@Pt1Aun-m-1 (n = 19, 38, 55, 79; m = 1, 6, 13, 19)的密度泛函研究

燃料电池的阴极反应的反应动力学速率非常慢,限制了燃料电池技术的发展。因此,寻找低成本、高活性的氧还原催化剂具有重要的意义。多元金属核壳团簇表现出优良的氧还原活性。在本文中,以原子个数为19、38、55和79的八面体团簇作催化剂模型,采用密度泛函理论(GGA-PBE-PAW)方法,研究了一系列不同尺寸核壳Ni_m@M_n-m (n = 19, 38, 55, 79;m = 1, 6, 13, 19; M = Pt, Pd, Cu, Au, Ag)团簇催化剂的活性规律。优化*O、*OH和*OOH吸附中间体结构,计算了吸附自由能和反应吉布斯自由能,以超电势为催化活性的描述符,研究了单原子Pt嵌入Ni_m@Au_n-m团簇的活性规律。结果表明,Ni₆@Pt₁Au₃₁具有最好的ORR活性,并且Ni₁@Pt₁Au₁₇、Ni₆@Pt₁Au₃₁、Ni₁₃@Pt₁Au₄₁、Ni₁₉@Pt₁Au₅表现出比Pt₃₈团簇以及Pt(111)表面更高的催化活性。Bader电荷和态密度分析表面,核壳之间的电荷转移以及单原子Pt嵌入Ni_m@Au_n-m表面,改变了吸附位的电子性质,降低了*OH的吸附强度,提高了ORR活性。单原子Pt嵌入Ni_m@Au_n-m表面可能是一种合适的多元金属核壳ORR催化剂设计策略。     

碳载Pt-Ni催化剂对直接甲醇燃料电池阴极氧电还原性能的影响

采用间歇式微波法制备了不同Pt、Ni原子比的碳载Pt-Ni催化剂。XRD结果表明,用这种方法制备的催化剂分散得比较好,具有较小的平均粒径,其中Pt-Ni/C(3∶1)催化剂的粒径最小。在旋转圆盘电极上进行氧的还原测试结果表明,当电解质溶液中没有甲醇和有甲醇存在时,Pt-Ni/C(3∶1)催化剂对氧的催化还原活性都很高,说明Pt-Ni/C(3∶1)催化剂对氧的催化还原受甲醇的影响较小。