质子交换膜燃料电池用碳纳米管载铂催化剂的研究

采用原位化学还原法制备碳纳米管载铂(Pt/CNTs)和碳粉载铂(Pt/C)催化剂,经透射电镜分析和X射线衍射分析,然后制成电极,组装成质子交换膜燃料电池并进行性能测试。实验结果表明,所制备的两种催化剂,铂粒径均较小(4nm左右),而Pt/CNTs表现出比Pt/C优越的催化性能。     

层级多孔碳载铂催化剂的制备及可达性

层级多孔碳作为氧还原铂基催化剂载体的选择之一, 简单的旋转圆盘电极(RDE)验证此类催化剂具有较高的氧还原活性, 但几乎都缺少膜电极(MEA)性能验证, 实用性无法保证. 本文设计制备了基于聚苯胺的层级多孔碳（NHPC）载铂催化剂（Pt/NHPC850）, 研究了其氧还原活性、 MEA质子传输和氧传输特性. RDE测试研究表明, Pt/NHPC850催化剂在低I/C（离聚物与碳载体质量比）时的面积活性低于实心碳载铂催化剂（Pt/XC-72）, 但当I/C增大到与膜电极中一致时, 由于Nafion树脂对Pt催化剂的毒化作用增强, 其面积活性反而优于 Pt/XC-72. Pt/NHPC850催化剂的高Pt分散性及其优异的抗Nafion毒化性能, 使其在I/C为0.8时的质量活性为Pt/XC-72催化剂的1.34倍. MEA质子传输研究表明, 即使在高加湿条件下, Pt/NHPC850质子电阻率仍高达72.6 mΩ·cm², 为Pt/XC-72的3倍. Pt/NHPC850制备的膜电极极化曲线在500 mA/cm²电流密度下性能迅速下降, Pt/NHPC850的氧增益电压达到144.4 mV, 比Pt/XC-72高56.7 mV. 表明Pt/NHPC850膜电极的质子传输和氧传输性能较差. 对比Pt/NHPC850催化剂的RDE和MEA的测试结果, 说明以层级多孔碳为载体的铂碳催化剂虽然耐Nafion毒化能力提高, 但是质子和氧气的氧传输性较差, 此类层级多孔碳还需进一步优化其结构, 才有可能满足低铂质子交换膜燃料电池（PEMFC）的应用需求.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。本文介绍了全氟磺酸膜的优缺点,对其进行改进的方法以及新型质子交换膜的发展情况,重点讨论了各类质子交换膜的制备、结构、性质以及它们在质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)的应用,最后提出质子交换膜的发展趋势。     

多壁碳纳米管负载铂的甲苯加氢脱芳催化剂

以多壁碳纳米管(CNTs)为载体制备了负载型Pt催化剂Pt/CNTs并将其用于催化甲苯加氢脱芳(HDA)反应.结果表明,在1.0%Pt/CNTs催化剂上,在0.4MPa,373K,PhCH3/H2摩尔比=6/94和GHSV=120L/(h.g)的反应条件下,甲苯转化率可达100%,比反应速率为0.0523mmol/(s.m2),分别是γ-Al2O3和AC负载各自最佳Pt负载量催化剂1.4%Pt/γ-Al2O3和2.4%Pt/AC上相应值的1.17和1.18倍.甲苯加氢产物全部为甲基环己烷,其他可能的加氢产物均在气相色谱检测限以下.催化剂的表征研究揭示,用CNTs代替γ-Al2O3或AC作为载体并不会引起所负载Pt催化剂上甲苯HDA反应的表观活化能发生明显变化.与γ-Al2O3或AC负载的相应催化剂相比,一方面,CNTs负载的Pt催化剂易于在较低温度下还原活化,并且其工作态催化剂表面催化活性Pt物种(Pt0)所占表面Pt摩尔分率有所提高;另一方面,CNTs负载的Pt催化剂对H2具有较高的吸附/活化和储存能力.这些促进效应对催化剂HDA活性的提高都有重要贡献.     

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…     

燃料电池铂钴锰合金催化剂的制备及性能

为提高PtCo/C合金催化剂的电化学性能,采用微波法合成铂钴锰催化剂前驱体,经高温热处理形成合金,最后通过酸处理得到铂钴锰合金催化剂(PtCoMn/C)。电化学测试结果表明:适量锰的添加可提升PtCo/C催化剂的活性和耐久性。PtCoMn/C催化剂在 0.9 V(vs RHE)电压下的质量比活性(MA)达到 0.666 A·mg_Pt^-1,是传统 Pt/C 的 2.66 倍,是 PtCo/C 催化剂的 1.30 倍。在30 000圈催化剂加速耐久性测试中,PtCoMn/C合金催化剂的电化学活性面积(ECSA)和质量比活性(MA)仅下降6.9%和27.1%,均远低于Pt/C催化剂。     

燃料电池铂钴锰合金催化剂的制备及性能

为提高PtCo/C合金催化剂的电化学性能,采用微波法合成铂钴锰催化剂前驱体,经高温热处理形成合金,最后通过酸处理得到铂钴锰合金催化剂(PtCoMn/C)。电化学测试结果表明:适量锰的添加可提升PtCo/C催化剂的活性和耐久性。PtCo Mn/C催化剂在0.9 V(vs RHE)电压下的质量比活性(MA)达到0.666 A·mg_Pt^-1,是传统Pt/C的2.66倍,是PtCo/C催化剂的1.30倍。在30 000圈催化剂加速耐久性测试中,PtCoMn/C合金催化剂的电化学活性面积(ECSA)和质量比活性(MA)仅下降6.9%和27.1%,均远低于Pt/C催化剂。     

PEMFC催化剂的研究：自制Pt/C电催化剂的性质

研究了一种用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的自制Pt/C电催化剂(标记为THYT-1)的物理化学和电化学性质.将THYT-1电催化剂与E-TEK公司的同类电催化剂的组成、形态及电催化性能进行了比较.单电池测试结果显示, THYT-1的电催化性能优于E-TEK电催化剂. CV测试结果表明CO在这两种电催化剂上的电氧化性能相近；TEM分析表明两种催化剂上Pt晶粒在炭载体上呈均匀分布，平均粒径均为2～3 nm； XPS和XRD测试结果表明两种催化剂中Pt主要以金属态存在.这些数据表明THYT-1催化剂的物理化学性质与E-TEK公司的相类似.     

铂合金氧还原催化剂:合成、结构和性能

质子交换膜燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,它具有转化效率高、能量密度高、低温启动、易于操作等优点,因而被认为是最具发展前景的新能源利用方式,在电动汽车、便携电源及分散式电站有着广泛应用.但是,目前质子交换膜燃料电池技术的发展面临着巨大挑战,主要问题包括高成本、低功率密度和低寿命.众所周知,质子交换膜燃料电池中的阴极氧还原反应在酸性条件下是一个复杂的四电子过程,动力学速度缓慢,限制了电池的最终性能.目前大量使用的阴极氧还原催化剂是细小的铂或铂合金纳米颗粒负载在碳载体上,其成本占燃料电池总成本的比例最大.制约燃料电池商业化发展的另一个重要问题是电池寿命低,其中氧还原催化剂的稳定性是决定电池寿命的主要因素.在这样的研究背景下,如何降低催化剂中铂的用量、提高催化剂活性和稳定性显得尤为重要,这也是近年来国内外学者研究的热点.在铂基合金催化剂中,通常采用过渡金属元素作为掺杂元素,由于原子半径不匹配(几何效应)以及电子结构不同(电子效应),合金催化剂表现出优于纯铂催化剂的催化性能.近几年,对于铂基合金催化剂的研究已取得重大进展,以合金组成和结构研究为基础,通过精确控制原子结构、调控表面电子状态以及制备工艺,获得了各种特殊形貌的催化剂,大大提高了催化活性.本文深入综述了近年来铂基合金氧还原催化剂制备、形貌和性能,特别关注了催化剂形貌和催化活性之间的关系.值得注意的是,具有有序原子排列的铂合金催化剂不仅在半电池中表现出优异活性,在实际质子交换膜燃料电池中也显示了很好的活性和稳定性.另一方面,碳载体的形貌及微观结构也对提高催化活性和稳定性起到决定性作用,通过化学手段加强金属纳米颗粒与碳载体之间的相互作用也是提高催化剂稳定性的重要途径.尽管铂基氧还原催化剂在近几年取得了重要进展,但在实际商业化过程中还存在诸多挑战,本文在综述进展的基础上,对铂基催化剂的发展提出了展望.首先,对于氧还原反应机理仍需要深入研究,采用更加精确的理论模型模拟氧还原动力学过程,以获得影响催化活性的关键因素.其次,提高催化剂在膜电极中的催化活性和利用率.目前,氧还原催化剂在半电池测试中性能优异,但是实际燃料电池操作条件下其性能远不能达到要求,这与膜电极、催化剂层及扩散层结构相关.因此,基于不同铂基催化剂的特性,合理设计膜电极组件的结构是将催化剂进行实际应用的基础.最后,催化剂的稳定性仍需进一步提高,尽管目前大部分催化剂在实验室半电池研究中表现了很好的稳定性,但在实际燃料电池中的稳定性研究还不足,而且对催化剂在膜电极中性能衰退机理的研究也非常有限.因此,对于铂基氧还原催化剂的研发仍需要国内外科研工作者不懈的努力.     

铂/石墨烯氧还原电催化剂的共还原法制备及表征

使用硼氢化钠共还原法制备40% (w)铂/石墨烯电催化剂用于氧还原反应. 通过循环伏安测试发现, 这种方法制备所得铂/石墨烯催化剂对氧还原反应活性较铂/碳催化剂差, 但稳定性有所提高. 在稳定性测试中,铂/石墨烯电催化性能衰减为50%, 较铂/碳(79%)好. X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)表征发现在铂/石墨烯催化剂中两者存在明显交互作用, 这可能是阻止石墨烯再堆垛和防止铂颗粒团聚的主要原因. 通过对单电池性能测试也发现铂/石墨烯催化剂更有利于电池长期稳定.     

Facile Fabrication of Platinum Nanoparticles Supported on Nitrogen-doped Carbon Nanotubes and Their Catalytic Activity

A facile impregnation method under mild condition is designed for synthesis of highly dispersed Pt nanoparticles with a narrow size of 4-7 nm on nitrogen-doped carbon nanotubes （CNx）. CNx do not need any pre-surface modification due to the inherent chemical activity. The structure and nature of Pt/CNx were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and energy dispersive spectroscopy spectrum. All the experimental results revealed that the large amount of doped nitrogen atoms in CNx was virtually effective for capturing the Pt（IV） ions. The improved surface nitrogen functionalities and hydrophilicity contributed to the good dispersion and immobi- lization of Pt nanoparticles on the CNx surface. The Pt/CNx served as active and reusable catalysts in the hydrogenation of allyl alcohol. This could be attributed to high dispersion of Pt nanoparticles and stronger interaction between Pt and the supports, which prevented the Pt nanoparticles from aggregating into less active Pt black and from leaching as well.     

碳纳米管担载CuCoCe催化剂催化合成气制低碳醇的性能

以碳纳米管为载体,采用等体积浸渍法制备了一系列Cu Co Ce催化剂,考察了碳纳米管长度及羧基官能团对该系列催化剂催化合成气制低碳醇反应性能的影响;采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行了结构和性能表征.实验结果表明,以含有羧基官能团的、长度为0.5~2μm的碳纳米管为载体时,催化剂的低碳醇时空收率最高,达到783.72mg·gcat-1·h-1,醇产物中C2+醇选择性达到82.71%.研究结果表明,短纳米管有利于活性金属进入碳纳米管内部,并促使活性组分分散均匀,这对CO转化率和低碳醇时空收率的提高有显著作用;碳纳米管上羧基官能团的存在促进了金属与金属、金属与载体之间的相互作用,从而使醇产物中C2+醇选择性明显提高.     

碳纳米管结构对碳纳米管载Pt催化剂电催化性能的影响

在制备单、双壁及不同管径的多壁碳纳米管(CNTs)的基础上, 用液相还原法把Pt沉积到单、双壁和管径不同的多壁CNTs上. 发现制得的CNTs载Pt(Pt/CNTs)催化剂对甲醇氧化的电催化活性随CNTs管径减小而增加. 这归结于管径小的CNTs的比表面积较大, 含氧基团多, 有利于提高Pt粒子分散度, 加上管径小的单壁CNTs具有更高的导电性, 这些因素都有利于提高Pt/CNTs催化剂对甲醇氧化的电催化活性.     

聚合物担载胶态钯催化剂的制备及其催化加氢性能研究

合成了一系列不溶性交联聚合物担载的胶态钯催化剂;用红外光谱、X射线衍射分析、扫描电镜等对催化剂进行了表征。用这些催化剂在80～100℃、氢压196.133×10~4Pa、苯-无水乙醇中进行了环十二碳三烯等不饱和化合物的催化加氢反应。考察了催化剂的活性、选择性、重复使用性能及反应条件对催化剂性能的影响。     

Characterization and Activity of Iron-Manganese Catalysts for Carbon Monoxide Hydrogenation

Studies on the structural changes and catalytic behavior of iron-manganese catalysts for CO hydrogenation were conducted using Mossbauer spectroscopy, X-ray diffraction, temperature programmed reduction and kinetic measurements. It was observed that the reduction of the mixed oxide catalyst precursors proceeds via the formation of Fe_3-xMn_xO₄,Mn_3-xFe_xO₄ mixed spinel and Fe_1-zMn₂O mixed oxide to α-iron and MnO. After use for CO hydrogenation, catalysts are oxidized as well as carburized. The Mn_3-yFe_yO₄ mixed spinel and Fe_1-2Mn_zO mixed oxide are the most powerful phases for olefin production. The highest attainable 2–4 low carbon olefin selectivity is 41% with an 86% conversion level. Higher manganese content or lower reduction temperatures may change the carbide formed from χ-Fe₅C₂ to the more unstable ?′-Fe₂₂C. Carbide formation is greatly dependent on manganese content and activation procedure used.     

纳米碳管负载Co催化生长纳米碳管

In this paper, carbon nanotubes (CNTs) used as support and cobalt as catalyst to prepare new CNTs was studied. CNTs could grow well if the precursor CNTs were supported with Co on its surface. On the contrary, CNTs couldn’t grow at all if the precursor CNTs were not supported with Co. The TEM images showed that diameters of the obtained CNTs were different from those of the precursor CNTs. The pure CNTs could be prepared in this method without further purifying. The amount of Co on the precursor CNTs could affect the growth of CNTs greatly. When the content of metal on precursor CNTs was less than 16.2%, the amount of the obtained CNTs increased with the increasing amount of Co, and the maximum growth amount of 625% of CNTs could be obtained. But if the content of metal was more than 16.2%, the amount of Co had no influence on the growth of CNTs.     

过氧化氢生产用铂催化剂的制备及性能研究

用浸渍法制备了过氧化氢生产用蒽醌加氢负载型铂催化剂，考察了载体的预处理温度、不同氧化物载体、铝钛复合载体中TiO2的含量以及La、Ce助剂对催化剂性能的影响；用BET法测定了催化剂的表面积；采用H2-O2滴定法测定Pt的分散度，并在固定床反应器上考察了催化剂的性能。结果发现，用经1223K焙烧过的载体及在Al2O3载体中引入10％-20％TiO2，并引入一定量La、Ce助剂所制备的催化剂，具有良好的活性和稳定性，因而具有较好的工业应用前景。     

二氧化锡填充多壁碳纳米管材料的制备及电化学性能

用硝酸氧化法处理多壁碳纳米管(MWCNTs), 使得MWCNTs端口打开, 长度变短, 表面得到改性. 通过二氯化锡与硝酸银反应, 过滤后的溶液在浓硝酸环境中, Sn2+在毛细作用下扩散进入碳纳米管管腔, 吸附、成核并在热处理作用下沉积, 从而制备出SnO2/MWCNTs纳米复合材料. XRD和TEM测试表明, 部分SnO2填充到MWCNTs管腔, 形成不连续的纳米颗粒. 电化学测试表明, SnO2填充的MWCNTs可以结合两者的优势, 使得复合材料的循环性能和比容量均有所改善.     

催化剂制备条件对碳纳米管的影响

用柠檬酸络合法制备的Ni-La-Mg型催化剂催化裂解甲烷合成碳纳米管，并通过测定活性镍表面积研究了催化剂制备过程中柠檬酸浓度及活化温度对碳纳米管生成的影响，TEM测定结果表明，经凝胶自燃烧产生的催化剂，可通过改变柠檬酸的浓度来制得不同粒径的催化剂颗粒，从而获得一定管径的碳纳米管，另外，在500－700℃内，活化温度对催化剂活性影响不大，只有在较低或较高温度时对活性才有较大的影响。     

Hydrogenation of Carbon Dioxide on Iron Manganese Catalysts

The synthesis of hydrocarbons from hydrogenation of carbon dioxide has been studied on a series of coprecipitated iron-manganese catalysts. Kinetic measurements, X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, and temperature-programmed reaction of adsorbed species were used for activity tests and catalyst characterizations. The results showed that the yields of low-carbon olefins decrease, whereas the amount of methane increases with increasing manganese content in catalysts. The conversion to hydrocarbons is suppressed by the reverse water-gas shift (RWGS) reaction equilibrium. Mössbauer spectra and XRD patterns of catalysts after reaction indicate that catalysts are severely oxidized; it is speculated that the olefin producing surface structure in CO hydrogenation may be destroyed by this oxidation. A pulse-reactor study of the Boudouard reaction showed that manganese has the effect of suppressing CO dissociation and thus decreasing carbon content on catalysts. For CO₂ hydrogenation, the affinity to carbon on catalysts is important; therefore manganese is not a good promoter. Among all catalysts tested, pure iron has the best selectivity to olefinic and long-chain hydrocarbons.