甲醇电化学催化氧化机理研究进展

甲醇催化氧化机理的研究对催化剂的开发具有重要的意义。本文概述了甲醇在铂表面催化氧化的反应机理;催化剂的中毒情况以及抗CO催化剂的研究进展,重点阐述了催化剂的结构和表面组成以及电极电势对催化活性的影响。目前的催化剂是不令人满意的．基础研究将有助于避免用纯经验的方法来寻求更为理想的催化剂。     

甲醇阳极电氧化催化剂的研究

采用化学还原沉积法制备了Ｐｔ－ＷＯ３／Ｃ，Ｐｔ－Ｒｕ／Ｃ和Ｐｔ－ＷＯ３／Ｃ系列催化剂，通过循环伏安与电流－电位极化研究了甲醇在不同催化剂／Ｎａｆｉｏｎ奄极上的电催化氧化。结果表明，三种催化剂的催化活性顺序为：Ｐｔ－Ｒｕ－ＷＯ３／Ｃ〉Ｐｔ－Ｒｕ／Ｃ〉Ｐｔ－ＷＯ３／Ｃ。同时研究了甲醇浓度和催化剂的配比对阳极性能的影响。     

铂银合金的制备及其对甲醇电氧化反应的催化性能

采用一种无需使用任何有机表面活性剂或溶剂的方法，在熔融盐体系中制备了铂银纳米合金颗粒，考察了合金中元素银对碱性电解质中甲醇电氧化反应（MOR）的催化作用。透射电子显微镜表征结果显示，当前躯体铂银物质的量比为1时，可以得到组成为Pt₅₂Ag₄₈的合金纳米管。甲醇电氧化反应测试结果表明，具有干净表面的Pt₅₂Ag₄₈纳米管比常规的Pt黑具有更好的催化性能。Pt₅₂Ag₄₈合金纳米管的催化活性与其最大正扫电位密切相关，正扫电位从-1.0到0.5 V（vs.SCE），MOR峰值电流达到1.61 mA/μg_Pt，是从-1.0到0.1 V（vs.SCE）正扫电位的1.92倍。铂银合金表面层中的Ag元素主要通过在电化学循环中发生氧化还原反应来促进合金的MOR活性。研究结果可以为铂银合金在直接甲醇燃料电池（DMFC）中的应用提供理论支持。     

铂、钌共修饰碳纳米管电极的制备及对甲醇的电催化氧化

碳纳米管以其独特的结构,良好的电性能和机械性能吸引了众多的关注~([1]),被认为是潜在的异相催化剂载体 ~([2]).近来关于碳纳米管负载催化剂的合成及其在异相催化中应用的研究已见报道~([3]).     

甲醇催化氧化重整反应制氢的研究

研究了Ｃｕ／Ｚｎ／Ａｌ系列催化剂催化甲醇氧化重整反应制氢,得到活性,选择性及稳定性较好的催化剂Ｃｕ６０Ｚｎ３０Ａｌ５Ｃｅ５;并且考察了Ｃｕ６０Ｚｎ３０Ａｌ５Ｃｅ５为催化剂时,该反应的工艺条件如温度,物料配比等,当压力为０．１ＭＰａ,温度为２４０℃,ＣＨ３ＯＨ：Ｈ２Ｏ＝１：０．８,ＣＨ３ＯＨ：Ｏ２＝４：１时,甲醇的转化率达９７．７５％,在此反应条件下,反应１００ｈ后,甲醇的转化率仍在９６％以上。     

铂银合金的制备及其对甲醇电氧化反应的催化性能（英文）

采用一种无需使用任何有机表面活性剂或溶剂的方法,在熔融盐体系中制备了铂银纳米合金颗粒,考察了合金中元素银对碱性电解质中甲醇电氧化反应(MOR)的催化作用。透射电子显微镜表征结果显示,当前躯体铂银物质的量比为1时,可以得到组成为Pt₅₂Ag₄₈的合金纳米管。甲醇电氧化反应测试结果表明,具有干净表面的Pt₅₂Ag₄₈纳米管比常规的Pt黑具有更好的催化性能。Pt₅₂Ag₄₈合金纳米管的催化活性与其最大正扫电位密切相关,正扫电位从-1.0到0.5 V(vs.SCE),MOR峰值电流达到1.61 mA/μg_Pt,是从-1.0到0.1 V(vs.SCE)正扫电位的1.92倍。铂银合金表面层中的Ag元素主要通过在电化学循环中发生氧化还原反应来促进合金的MOR活性。研究结果可以为铂银合金在直接甲醇燃料电池(DMFC)中的应用提供理论支持。     

三维结构氧化石墨烯载铂催化剂对甲醇电催化性能

喷雾干燥法制备具有三维结构的氧化石墨烯(PGO),在其表面进一步负载活性成分Pt,得到纳米Pt/PGO复合催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、透视电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等对催化剂的形貌和结构进行表征。结果表明,PGO具有类似于长4-6μm和宽2.0-3.0μm的三维纸团结构,平均粒径为4.2 nm的Pt纳米粒子均匀分布在其表面。采用循环伏安和计时电流法研究了在酸性溶液中催化剂对甲醇的电催化氧化性能。结果表明,Pt/PGO催化剂对甲醇呈现出更高的电催化氧化活性和稳定性。PGO所具有的三维结构和双功能作用机理有利于甲醇在铂表面的电催化氧化过程的发生。     

水合氧化钌对铂电催化剂上甲醇电氧化反应的促进作用

以多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体,制备了Pt载量为20%的Pt-(RuOxHy)m/MWCNTs催化剂(m为Ru/Pt原子比),在m≤0.4时考察了不同电势区间循环伏安预处理对其催化性能的影响.水合氧化钌(RuOxHy)的存在明显提高了Pt催化剂抗CO毒化的能力,而在甲醇电氧化反应中Pt的质量比活性(MSA)随样品中m值增大呈先升后降趋势.经低电势区间(-0.20～0.46 V vsSCE)预处理稳定的催化剂中,Pt-(RuOxHy)0.10/MWCNTs样品中Pt的甲醇电氧化反应的MSA提高至相应单组分Pt/MWCNTs的9倍.将预处理电势区间扩展到高电势(即-0.20～0.96 V VS SCE)会造成钌组分溶解流失,导致催化剂抗CO毒化能力下降.在经过高电势区间的预处理后,Pt-(RuOxHy)0.20/MWCNTs对甲醇电氧化反应呈现出最高的催化活性,为单组分Pt催化剂的1.4倍.这些结果证实,水合氧化钌是Pt电催化剂的有效助剂.     

中空树枝状三氧化钨载铂催化剂对甲醇的电催化氧化性能研究

采用水热法和牺牲模板法相结合制备具有中空树枝结构的三氧化钨载体(d-WO₃),在其表面进一步负载活性成分Pt,得到纳米Pt/d-WO₃复合催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和比表面积和孔结构分析(BET)等对催化剂的形貌和结构进行了表征。结果表明,三氧化钨具有长6 μm和宽2 μm的中空树枝状结构,孔径分布主要集中在20~120 nm,比表面积为24 m²/g,平均粒径为7.2 nm的Pt纳米粒子均匀分布在其表面。采用循环伏安和计时电流法研究了Pt/d-WO₃催化剂在酸性溶液中对甲醇的电催化氧化性能。结果表明,Pt/d-WO₃催化剂比Pt/C和Pt/WO₃催化剂对甲醇有更高的电催化氧化活性和稳定性。d-WO₃所具有的中空介孔结构和双功能作用机理有利于甲醇在铂表面的直接脱氢氧化过程。     

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。     

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.     

碳载Pt和PtRu催化剂的甲醇电氧化比较

利用电化学方法对商用Pt/C和PtRu/C催化剂在酸性介质中的甲醇电氧化进行了比较研究.动电位和恒电位氧化实验结果皆表明PtRu/C比Pt/C对甲醇电催化活性高.PtRu合金的形成不仅改变了催化剂表面对氢的吸附性质,而且使氧化物还原峰电位向阴极方向移动.Ru与甲醇的相互作用为温度活化过程,需要较高的温度.     

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.     

Pt-Ni-P/Ti蜂窝状电极的制备及其催化甲醇氧化性能研究

Ti基体上,通过电沉积-置换的方法制备了具有蜂窝状结构的Pt-Ni-P/Ti催化电极.采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对催化剂进行了表征.通过阳极线性伏安扫描法（LSV）、连续循环伏安法（CV）、预吸附单层CO溶出法研究了其甲醇氧化催化活性和抗CO中毒能力.SEM测试结果显示,非晶态Ni-P置换制备的Pt-Ni-P催化剂受“异地溶解-沉积”机理的影响而呈蜂窝状结构,而晶态Ni置换制备的Pt-Ni催化剂受“原位溶解-沉积”机理呈麦粒状.电化学测试结果表明,Pt-Ni-P/Ti电极在碱性介质中的甲醇氧化起始电位和CO氧化起始电位均比Pt-Ni/Ti电极更负,表明P掺杂可以增强Pt-Ni的甲醇氧化催化活性和抗CO中毒能力.     

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