碱性介质中氢氧化反应电催化剂的开发:从机理认识到材料设计

阴离子交换膜(AEM)燃料电池因具有使用非贵金属作为催化剂的优点而受到广泛关注.然而,在碱性体系中,AEM燃料电池中氢氧化反应(HOR)的反应动力学比在酸性介质中的慢两个数量级.针对HOR在碱中动力学缓慢的问题,有两种主要的理论来解释,(1)pH相关的氢结合能作为主要影响因素来控制HOR动力学的理论;(2)质子和氢氧根离子的吸附共同作为影响因子来控制HOR在碱性条件下的动力学的双功能理论.本文首先讨论了在碱性电解质中可能的HOR反应机理及其Tafel性能变化.除了传统的Tafel-Volmer和Heyrovsky-Volmer-HOR机理外,还讨论了最新提出的氢氧根离子吸附参与的HOR机理来说明在酸性和碱性介质中HOR机理的差异.然后,总结了具有代表性的碱性HOR催化剂(如贵金属、合金、金属间化合物、镍基合金、碳化物、氮化物等),简要介绍了它们相应的HOR反应机理,从而进一步理解在碱性介质中不同基元反应步骤给HOR性能带来的差异.最后,提出了一种未来设计HOR碱性催化剂的可行性方案,为今后碱性环境下的HOR催化剂设计提供参考.     

碳纳米管电极上原位沉积Pt纳米颗粒

 本文利用原位离子交换法制备了碳纳米管(CNTs)载铂(Pt/CNTs)电极. X射线光电子能谱分析表明, Pt通过离子交换载于电化学功能化的CNTs表面. 扫描电镜照片显示, Pt高度分散于CNTs表面. X射线衍射分析表明, Pt的粒径约为4.0 nm. 离子交换法所制Pt/CNTs电极的电化学表面积和Pt的利用率均大于传统Pt/CNTs电极(Pt粒径约为2.5 nm), 其对氧还原的催化活性高于传统电极. 这归因于离子交换法所制电极的特殊结构,即Pt普遍载于电化学活性位上.     

Pt/C和Pt/CNTs电极的电化学稳定性研究

采用恒电位氧化法研究了Pt/C和Pt/CNTs电极的电化学稳定性. 相同条件下, Pt/C电极的氧化电流大约为Pt/CNTs电极的2倍; 120 h氧化后, Pt/C电极Pt的电化学表面积下降了21.3%, 而Pt/CNTs电极仅下降了7.6%, 表明Pt/CNTs电极性能衰减较慢. X射线光电子能谱(XPS)分析表明, Pt/C的载体碳黑表面氧增加量大于Pt/CNTs中碳纳米管(CNTs)表面氧的增加量, 说明碳黑的被氧化程度较高, 电化学稳定性差; Pt的表面化学状态没有发生变化; 碳纳米管本身的抗电化学氧化性也大于碳黑. 所以, 载体的被氧化程度不同是两种电极性能衰减不同的主要原因之一, 并且排除了Pt表面状态的影响.     

不同直径碳纳米管的抗电化学氧化性

本文比较了由化学气相沉积法制备的不同直径(在100 nm以内)的多壁碳纳米管(CNT)的抗电化学氧化性.将CNT电极于1.2 V(vs.RHE)下电氧化120 h,记录氧化电流~时间变化曲线;X射线光电子能谱(XPS)分析氧化前后CNT的表面化学组成.结果表明,随着CNT直径的减小,其氧化电流降低,但其中以为10~20 nm的CNT电极氧化电流最小,表面氧的增量也最小,即被氧化的程度最低,抗电化学氧化性最强.根据不同直径CNT的缺陷位、不定型碳的丰度和碳原子的应力能,分析了其抗电化学氧化性差异的原因.     

二甲醚电氧化及其阳极催化剂研究

Anode electro-catalysts for direct dimethyl-ether fuel cell (DDFC), Pt/C, PtRu/C (1∶1) and PtSn/C (3∶2), were prepared by chemical impregnation-reduction method with formaldehyde as the reductant. DME electro-oxidation and adsorption at Pt electrode and Pt electro-catalysts were investigated by Cyclic Voltammetry(CV), Quasi-steady state polarization and Gas Chromatography(GC). CV showed that there were two current peaks of DME electro-oxidation at Pt electrode around 0.8V (vs RHE); DME was adsorbed at Pt electrode more weakly and slowly than oxygen, methanol, even hydrogen; the onset potential of DME oxidation was 50mV less than that of methanol, and DME peak potential 110 mV lower, thus more advantageous for using in fuel cells than methanol. GC showed that small amount of HCHO was generated during DME electro-oxidation. The mechanism of DME electro-oxidation was proposed. Among the three electro-catalysts (Pt/C, PtRu/C and PtSn/C), Pt alloy catalysts, especially PtRu/C, showed a higher performance toward DME electro-oxidation, as in the case of methanol. Temperature experiments showed that both DME electro-oxidation and adsorption on Pt and Pt alloy catalysts were favored with increased temperature.     

二甲醚在铂电极上的电氧化和吸附行为

运用循环伏安法和气相色谱法研究了二甲醚在铂电极上的电氧化和吸附行为，并与甲醇进行了比较．二甲醚的循环伏安曲线显示在0．8V(vs．RHE)附近出现两个氧化峰．二甲醚在铂电极上的吸附强度弱于氧、甲醇甚至氢．二甲醚电氧化的起始电位较甲醇低50mV，峰值电位较甲醇低约110mV．气相色谱研究表明二甲醚电氧化过程中有少量甲醛生成．基于电化学和气相色谱研究结果，提出了二甲醚在铂电极上电氧化的反应机理，并认为二甲醚电氧化过程可以有多种途径．     

CO在Pt及其合金表面电化学氧化和吸附的理论研究

文本综述了CO在Pt及其它过渡金属上电化学氧化机理的量子化学研究现状。系统论述了密度泛函理论计算在催化剂对CO电氧化的作用机制和CO与金属间吸附、成键及振动频率方面所给出的详细信息, 并指出了量子化学计算结果对于电极催化剂设计的指导意义。最后, 指出了目前量子化学计算的局限性并展望来其未来发展趋势。     

Pt/碳纳米管电极的电化学稳定性

 研究了Pt/CNT(碳纳米管)电极在动电位和恒电位两种情况下的电化学稳定性. 在动电位条件(0.05～1.2 V vs RHE(可逆氢电极)循环伏安940次, 60 h)下, Pt/CNT电极的电化学表面积下降18.8%; 在恒电位条件(1.2 V vs RHE, 60 h)下, Pt/CNT电极的电化学表面积仅下降5.2%. 这表明Pt/CNT电极在动电位条件下性能衰减得更迅速. X射线光电子能谱分析表明,恒电位条件下载体碳纳米管被氧化的程度较大. X射线衍射分析计算表明,动电位和恒电位氧化后, Pt颗粒的平均粒径从3.8 nm分别增大到4.9和3.9 nm. Pt颗粒的长大可能是Pt/CNT电极性能衰减的主要原因之一,而载体的氧化不是Pt/CNT电极性能衰减的主要原因.     

二甲醚电氧化增强电化学表面积的研究(英)

0IntroductionFuel cells em ploying polym er(e.g.,N afion m em-branes)as the electrolyte are receiving increasing at-tention.The m em brane-electrode assem bly(M EA),com prising of a proton conducting m em brane sand-wiched between tw o gas diffusion elect…