高分散在氮掺杂碳纳米管表面铂纳米粒子的高效甲醇电氧化性能

以氮掺杂碳纳米管(NCNT)为载体,利用掺杂氮原子的锚定作用,通过微波辅助乙二醇还原法方便地将Pt纳米粒子高分散地固载于NCNT表面,制得了Pt/NCNT系列催化剂,对催化剂制备规律、电催化甲醇氧化反应(MOR)性能及构效关系开展了系统深入的研究。结果表明,随Pt负载量在18.2%~58.7%(w/w,下同)范围增加,Pt纳米粒子的粒径在2.2~3.7 nm范围相应地逐渐增大。单位质量催化剂的MOR催化活性先增加后急剧减小,在负载量为47.8%时达到最大。Pt的质量比活性在中等负载量(27.6%~47.8%)区间出现高值平台。该变化规律源于Pt纳米粒子的MOR催化活性在3 nm前后的明显差异,即3 nm时活性差,3 nm时活性优异。高负载量(58.7%)时活性的急剧下降源于Pt纳米粒子因团聚引起的Pt利用率的降低。     

高分散在氮掺杂碳纳米管表面铂纳米粒子的高效甲醇电氧化性能

以氮掺杂碳纳米管（NCNT）为载体,利用掺杂氮原子的锚定作用,通过微波辅助乙二醇还原法方便地将Pt纳米粒子高分散地固载于NCNT表面,制得了Pt/NCNT系列催化剂,对催化剂制备规律、电催化甲醇氧化反应（MOR）性能及构效关系开展了系统深入的研究。结果表明,随Pt负载量在18.2%~58.7%（w/w,下同）范围增加,Pt纳米粒子的粒径在2.2~3.7 nm范围相应地逐渐增大。单位质量催化剂的MOR催化活性先增加后急剧减小,在负载量为47.8%时达到最大。Pt的质量比活性在中等负载量（27.6%~47.8%）区间出现高值平台。该变化规律源于Pt纳米粒子的MOR催化活性在3 nm前后的明显差异,即<3 nm时活性差,>3 nm时活性优异。高负载量（58.7%）时活性的急剧下降源于Pt纳米粒子因团聚引起的Pt利用率的降低。     

氮掺杂碳纳米管负载的钌催化剂对苯甲醇在常压空气条件下催化氧化性能

以氮掺杂碳纳米管(NCNTs)为载体,采用乙二醇微波还原方法方便制得制备了负载型Ru催化剂,Ru纳米颗粒均匀分散在NCNTs表面,平均粒径为1.6 nm。在温和条件下(常压和空气条件),Ru/NCNTs催化剂表现出良好的苯甲醇催化氧化性能,在90℃下苯甲醇转化率可达93%,苯甲醛选择性大于99%,并且具有良好的可重复使用性能,这些结果显著优于碳纳米管(CNTs)和活性炭(AC)为载体的对比组催化剂。在温和条件下Ru/NCNTs催化剂表现出的优异苯甲醇催化氧化性能可归因于氮掺杂提高了NCNTs的电子密度进而促进了O2分子吸附和反应。     

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.     

镍/生物质衍生氮掺杂多孔碳纳米复合材料的制备及对甲醇氧化反应的电催化

以Ni （Ac）₂·4H₂O和生物质材料丝瓜络为原料,通过先浸渍后热解的方法制备了低成本的镍纳米颗粒/丝瓜络衍生氮掺杂多孔碳纳米复合材料（Ni/T-dNPCN）。研究复合材料对甲醇的电催化性能,并讨论热解温度对复合材料结构和性能的影响。结果表明,Ni/T-dNPCN修饰玻碳电极（GCE）在碱性条件下对甲醇氧化反应（MOR）具有良好的电催化活性。其中,800℃煅烧得到的Ni/T-dNPCN₈₀₀/GCE对1 mol·L^-1甲醇具有最低的起始电位（0.344 V （vs Ag/AgCl））、最高的催化电流密度（质量活性：1 902 mA·mg_Ni^-1;比活性：1.61 mA·cm^-2）和最快的动力学反应过程（Tafel斜率：50.23 mV·dec^-1）,其催化活性约为商业化Pt/C/GCE的3.92倍。且计时电流测试表明,Ni/T-dNPCN₈₀₀/GCE具有良好的稳定性。     

硼掺杂碳化硅负载Pt催化剂的甲醇电催化氧化性能

以硼掺杂碳化硅(B0.1SiC)为载体,采用循环伏安法在B0.1SiC载体上电沉积Pt纳米粒子制备了Pt/B0.1SiC催化剂。利用X射线光电子能谱、X射线衍射、氮气吸附-脱附、扫描电镜及透射电镜等测试方法对催化剂的晶型、表面性质及形貌进行了表征。结果表明,硼原子掺杂进入SiC晶格并取代了Si位点,使B0.1SiC载体的导电性增强;Pt纳米粒子均匀地分布在B0.1SiC载体上,平均粒径为2.7 nm。与相同条件下制备的Pt/SiC催化剂相比,Pt/B0.1SiC具有较大的电化学活性表面积、更高的甲醇催化氧化活性和稳定性。     

纳米钯催化剂对甲醇的电催化氧化

采用水热法,以甲醛作还原剂还原Pd2+-EDTA络合物,制得钛基纳米钯颗粒电极(nanoPd/Ti).扫描电子显微镜(SEM)显示,纳米钯颗粒直径约为60 nm,形成三维立体网状结构.在碱性溶液中,循环伏安及交流阻抗测试分别表明:nanoPd/Ti电极对甲醇氧化有极高的阳极电流、较低的起始氧化电位和较强的抗CO毒化能力.在nanoPd/Ti电极上甲醇电氧化反应的阻抗值较低,增加甲醇浓度,电极阻抗更低.电极对甲醇氧化具有极好的电催化活性.     

Pd/TiC-C催化剂对甲酸氧化的电催化性能

研究了TiC和C作混合载体的Pd(Pd/TiC-C)催化剂对甲酸氧化的电催化性能。发现Pd/TiC-C催化剂对直接甲酸燃料电池(DFAFC)中甲酸氧化的电催化性能要优于Pd/C催化剂。而且,Pd/TiC-C催化剂的电催化性能与C和TiC的质量比有关,当质量比为2时,Pd/TiC-C催化剂对甲酸氧化的电催化活性和稳定性最好,甲酸在C和TiC的质量比为2的Pd/TiC-C催化剂电极上的氧化峰峰电位为0.164 V,比在Pd/C催化剂电极上负移12 mV,峰电流密度为23.08 mA/cm2,比在Pd/C催化剂电极上高约42％。     

分级结构氮掺杂碳纳米笼担载的铂基高效甲醇氧化电催化剂

高性能低成本的担载型铂基催化剂是直接甲醇燃料电池(DMFC)实用化过程中的一大挑战.利用高比表面积、高稳定性、容易负载金属的载体实现 Pt颗粒的高度分散,既可提高催化剂的催化性能,又可提高 Pt的利用率以降低成本,是担载型 Pt基催化剂实用化的有效途径.碳材料是一种常用的催化剂载体,近年来我们课题组发展了一种高性能的碳纳米笼材料,并可通过异原子掺杂调变其表面性能,提高其活性和负载能力.我们采用原位氧化镁模板法制备氮掺杂碳纳米笼：以具有多级结构的碱式碳酸镁作为氧化镁模板的前体,吡啶为碳源和氮源,经高温热解沉积,在原位形成的氧化镁模板表面形成氮掺杂的石墨化碳纳米薄层;经稀盐酸浸泡并洗涤,获得高纯度的氮掺杂碳纳米笼.氮掺杂碳纳米笼具有分等级的微纳米结构、高导电性、高比表面积和可调变的孔结构,结合表面氮原子的锚钉作用,氮掺杂碳纳米笼有望成为电化学催化剂 Pt的优良载体.
　　在前期研究基础上,本文探索多级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为新型载体负载 Pt的能力,并评价所构建的负载型催化剂 Pt/hNCNC的电催化性能.通过简便的微波辅助多元醇还原法,将氯铂酸还原成 Pt纳米粒子负载于 hNCNC的表面.为了揭示氮掺杂的效应,我们对比研究了具有相似分级结构但无掺杂的碳纳米笼(hCNC)以及商业化活性炭(Val-can XC-72)作为载体的情况.经热重(TG)和 X射线光电子能谱(XPS)分析,三种催化剂 Pt/hNCNC、Pt/hCNC和 Pt/XC-72的负载量均接近理论负载量(23.1 wt%),都主要以金属态存在.然而,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明, Pt/hNCNC的 Pt分散状态优于 Pt/hCNC,更远优于 Pt/XC-72. Pt/hNCNC的平均 Pt粒径最小,仅约3.3 nm.这种良好的分散状态主要得益于氮原子掺杂,高负电性的氮原子改变了局域的表面极性,有利于 Pt颗粒的成核,也有利于固定 Pt颗粒.
　　由于 hNCNC对 Pt的优异分散能力, Pt/hNCNC表现出高的电化学活性面积.氢吸附和一氧化碳溶出伏安曲线表明, Pt/hNCNC的电化学活性面积高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,这与显微观察和 X射线衍射(XRD)结果相吻合. Pt/hNCNC展现出优异的甲醇电催化氧化活性和高稳定性,其催化电流明显高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,电流衰减亦慢于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72. hNCNC的分级微纳米结构有利于孔内传质和电子输运,从而提高反应速度. hNCNC的氮掺杂有利于 Pt在载体表面的分散,增强了载体-金属相互作用,提高了电化学活性面积和催化活性.为了进一步考察 hNCNC对 Pt的负载能力,本文还考察了高负载量 Pt/hNCNC的性能.在负载量高达60 wt%时, Pt/hNCNC中的 Pt颗粒仍无明显聚集,其甲醇氧化电流增加了30%,可以有效提高 DMFC的输出电流密度.
　　综上可见, hNCNC可以有效分散并稳定 Pt颗粒,从而提高电化学活性面积和甲醇电催化氧化活性,优于未掺杂的碳纳米笼和传统碳材料,展示了 hNCNC高分散 Pt颗粒用作 DMFC的高效阳极催化剂的重要前景,也表明 hNCNC有望成为应用广泛的新型载体.     

碳纳米管负载铂催化剂的制备及其对甲醇的电催化氧化研究

0引言Pt金属是直接甲醇燃料电池(DMFC)常用的催化剂犤1～3犦。为了尽可能减少Pt金属用量,提高Pt的分散度,人们总是选择具有高表面积的基质,如石墨、碳黑、活性碳、分子筛、质子交换膜等,作为Pt金属的载体犤3～5犦。最初,人们以为载体的作用仅仅是提供表面积和多孔气体扩散电极的骨架,使Pt微粒可以有更大的比表面积与反应物接触,但是现在普遍认为犤1犦,当Pt金属负载在活性炭上时,它们中的催化性能有一部分应归结于金属和载体之间的相互作用,因此,载体的形貌及物理化学性质直接影响着催化剂对甲醇的电催化氧化活性。碳纳米管(CNTs)由于…     

厚壁和薄壁碳纳米管载铂催化剂制备和对甲醇氧化的电催化活性

铂催化剂;碳纳米管;甲醇;直接甲醇燃料电池     

Pd/PVP-MWCNTs电极对甲酸氧化的电催化性能

用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修饰的多壁碳纳米管（MWCNTs）作为Pd纳米粒子的载体,制得了Pd/PVP-MWCNTs催化剂并研究了其对甲酸氧化的电催化性能. 红外光谱仪（FTIR）和透射电镜（TEM）观测结果表明,Pd/PVP-MWCNTs催化剂中的Pd纳米粒子平均粒径小、分散性好. 因此,Pd/PVP-MWCNTs催化剂对甲酸电氧化有很好的电催化性能.     

聚乙酰苯胺修饰碳纳米管载铂催化剂对甲醇电催化氧化

以原位化学聚合的聚乙酰苯胺/多壁碳纳米管(PAANI-MWCNTs)复合纳米材料作为载体,采用硼氢化钠还原法将Pt纳米粒子担载到PAANI-MWCNTs复合纳米材料表面,制备了Pt/PAANI-MWCNTs复合纳米催化剂.样品的结构和形貌用紫外-可见(UV-Vis)光谱、拉曼光谱、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)进行了表征.结果表明,聚乙酰苯胺与碳纳米管之间存在较强的π-π相互作用,使其能牢固地吸附于多壁碳纳米管表面,对碳纳米管的结构完整性和导电性有一定的改善作用.同时,金属Pt纳米颗粒较为均匀地分散在PAANI-MWCNTs表面,粒径分布范围较窄.采用循环伏安法和计时电流法在酸性溶液中研究了Pt/PAANI-MWCNTs催化剂对甲醇的电催化氧化活性,结果表明Pt/PAANI-MWCNTs复合纳米催化剂比用混酸处理的碳纳米管载铂催化剂对甲醇呈现出更高的电催化氧化活性和更好的抗中毒能力及稳定性.     

碳黑预处理对Pt/C催化剂对甲醇氧化电催化活性的影响

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于具有较多的优点而受到广泛的关注. 但是碳载Pt (Pt/C)阳极催化剂电催化活性低是限制其应用的一个主要问题. 为了提高Pt/C催化剂对甲醇氧化的电催化性能, 分别用CO₂, 空气, H₂O₂或HNO₃对常用作为载体的Vulcan XC-72碳黑进行预处理. 结果表明, 在用CO₂, 空气, HNO₃, H₂O₂处理的及未处理的碳黑作载体制得的Pt/C催化剂电极上, 甲醇氧化峰的峰电流密度顺序为39, 33, 32, 20和18 mA•cm^－2, 表明用CO₂处理的碳载体制备的Pt/C催化剂对甲醇氧化有最好的电催化活性和稳定性. 其主要原因是用CO₂处理能减少碳黑表面的含氧基团和增加石墨化程度, 而使碳黑的电阻降低及Pt粒子在碳黑上的分散性变好.     

铂/酞菁/碳纳米管复合纳米催化剂的构建及其甲醇氧化性能

本文报道了一种方便地构建铂/酞菁/碳纳米管(Pt/Pc/CNTs)复合纳米催化剂的新方法：先通过简单的超声处理将酞菁分子(Pc)修饰至碳纳米管表面,随后采用乙二醇还原法将铂纳米粒子固载到酞菁修饰的碳纳米管表面,形成Pt/Pc/CNTs复合纳米催化剂。X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)结果表明金属铂纳米颗粒均匀地分散在碳纳米管表面,尺寸约5 nm。采用UV-Vis、FTIR和Raman等手段研究了这种复合纳米催化剂的构建过程,结果表明酞菁分子与碳纳米管之间存在较强的π-π相互作用,使其能牢固地吸附于碳     

碳纳米管表面修饰程度对其载Pd纳米粒子的电催化氧化水合肼性能的影响

比较了未氧化处理与经浓硝酸或混酸(浓硫酸与浓硝酸体积比为1∶1)处理后的不同多壁碳纳米管(MWNTs)为载体的Pd催化剂(Pd/MWNTs)对水合肼氧化的电催化性能. 光谱表征和电化学测试结果表明, MWNTs表面不修饰或修饰程度过大都不利于金属Pd纳米粒子的沉积. 浓硝酸处理使MWNTs表面修饰的含氧基团适中, 能够促进负载的Pd纳米粒子均一分布, 因此提高Pd/MWNTs催化剂对水合肼的电催化性能. 相反, 混酸处理使MWNTs表面产生的含氧基团过多, 导致金属Pd纳米粒子部分聚集, 从而降低Pd/MWNTs催化剂对水合肼的电催化性能.     

高催化活性Pd-Co3O4/MWCNTs催化剂对甲醇氧化的电催化性能

以Co(NO3)3·6H2O为钴源,聚乙二醇(PEG)20000为表面活性剂,与多壁碳纳米管(MWCNTs)混合后通过水热氧化法成功地合成了表面均匀分布纳米絮状Co3O4的MWCNTs复合物,进一步还原Pd的前驱体而制备得到Pd-Co3O4/MWCNTs复合催化剂.利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及X射线粉末衍射(XRD)等手段对样品的形貌和晶型结构进行了表征,结果表明Pd纳米粒子为面心立方晶体结构,均匀地分布在Co3O4修饰的MWCNTs表面.用循环伏安法和计时电流法表征结果表明:催化剂Pd-Co3O4/MWCNTs具有较大的电化学活性表面积,在碱性介质中对甲醇氧化具有更高的电催化活性和稳定性.研究结果表明,过渡金属氧化物纳米Co3O4颗粒在提高直接甲醇燃料电池(DMFC)催化性能研究中具有十分重要的作用,是一类很有潜力的载体催化剂.     

大孔炭载Pd催化剂对甲酸氧化的电催化性能

用X射线能量色散谱(EDS)、X射线衍射(XRD)谱、拉曼光谱和电化学技术研究和比较了直接甲酸燃料电池(DFAFC)中Vulcan XC-72炭黑载Pd (Pd/XC)和大孔炭载Pd (Pd/MC)催化剂对甲酸氧化的电催化性能. 循环伏安曲线测量表明甲酸在Pd/XC和Pd/MC催化剂电极上主要氧化峰的峰电位基本相同, 在0.15 V左右, 但在Pd/MC催化剂电极上的峰电流密度比在Pd/XC催化剂上的大30%左右. 计时电流曲线测量表明, 在6000 s时, 在Pd/MC催化剂电极上的峰电流密度比在Pd/XC催化剂上的大38%左右, 这些结果说明Pd/MC催化剂对甲酸氧化的电催化活性和稳定性要好于Pd/XC催化剂. 由于Pd/MC和Pd/XC催化剂的Pd粒子平均粒径和相对结晶度相似, 因此, Pd/MC催化剂电催化性能好的原因只能归结于MC大的孔径和高的石墨化程度引起的高电导率.     

电解液对炭载Pd催化剂对甲酸氧化的电催化性能的影响

为了了解(NH4)2SO4,K2SO4和H2SO4电解液对炭载Pd(Pd/C)催化剂对甲酸氧化的电催化性能的影响和机理,用电化学方法测量了Pd/C催化剂在不同电解液中对甲酸氧化的电催化性能。发现在不同电解液中,Pd/C催化剂对甲酸氧化的电催化活性和稳定性按(NH4)2SO4>K2SO4>H2SO4的次序降低。由于在含甲酸的电解液中,不同电解液的pH值差别较小,电解液的pH值只有较小的影响。其次,电解液的电导率对甲酸氧化峰峰电位有一定的影响。最后,由于NH4+起着特殊作用,它能降低CO在Pd/C催化剂电极上的吸附量,因此,在(NH4)2SO4电解液中,Pd/C催化剂对甲酸氧化的电催化性能最好。