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。     

具有优异甲醇催化氧化性能的Pt/MoO3-WO3/CNTs催化剂

以聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐(PDDA)为连接剂,采用原位自组装方式将MoO3和WO3负载到碳纳米管(CNTs)上,然后通过乙二醇还原法负载Pt纳米颗粒,得到Pt纳米颗粒均匀分布的Pt/MoO3-WO3/CNTs催化剂.当氧化物总量控制在10 wt%,MoO3与WO3摩尔比为1:0.5时,Pt/MoO3-WO3/CNTs催化剂催化甲醇氧化活性最高,甲醇氧化峰电流If高达835 A/gPt.WO3和MoO3的加入提高了催化剂的甲醇氧化活性、抗CO中毒能力和稳定性,使得Pt/MoO3-WO3/CNTs催化剂表现出优异的甲醇电催化氧化性能.     

碳纳米管表面修饰程度对碳纳米管载Pt电催化性能的影响

比较了用不同温度的浓HNO₃处理的碳纳米管(CNTs)作载体的Pt(Pt/CNTs)对甲醇氧化的电催化活性. 结果表明浓HNO₃处理使CNTs表面修饰上的含氧基团对CNTs上沉积Pt粒子的平均粒径有较大影响. 表面修饰程度适当时, 制得的Pt/CNTs中Pt粒子较小, 因此, 对甲醇氧化的电催化活性较高. 而表面修饰程度过大, 易使Pt粒子团聚, 从而降低Pt/CNTs催化剂对甲醇氧化的电化学活性.     

Nickel foam-based composite electrodes for electrooxidation of methanol

Nickel foam and five nickel foam-based composite electrodes were prepared for being used as anode materials for the electrooxidation of methanol in KOH solution containing 0.1 and 1.0 M of methanol. The layered electrodes composed of nickel foam, platinum nanoparticles, polyaniline (PANI) and/or porous carbon (C) prepared in various assemblies. As shown by SEM analysis, depending on the preparation conditions, the electrodes of different morphologies were obtained. Using the cyclic voltammetry method, the oxidation of methanol on nickel foam electrode was observed in the potential range 0.4 V ↔ 0.7 V, where the Ni(OH)₂/NiOOH transformation occurred. The presence of Pt particles in electrode gave rise to the increase in electrocatalytic activity in this potential range. For electrodes containing dispersed platinum catalyst (Ni/Pt, Ni/PANI/Pt and Ni/C/Pt), the oxidation of methanol was noted also in the potential range −0.5 V ↔ 0.1 V. The electrocatalytic activities of the examined electrodes toward methanol oxidation at low potentials were in order Ni/Pt > Ni/C/Pt > Ni/PANI/Pt, whereas at high potentials in order Ni/PANI/Pt > Ni/Pt> Ni/C/Pt > Ni. Among the examined electrodes, the most resistant to cyclic poisoning appeared to be the Ni/C/Pt electrode. Presented at the 4Th Baltic Conference on Electrochemistry, Greifswald, March 13–16, 2005     

原子层沉积制备掺氮碳膜修饰的 Pt/CNTs 实现甲醇高效电催化氧化

甲醇燃料电池作为一种清洁、高效的能源转化形式广受关注. 贵金属 Pt 是甲醇燃料电池阳极催化剂不可缺少的活性组分, 但 Pt 价格昂贵, 易与 CO 等中间体强相互作用而中毒失活, 从而限制了甲醇燃料电池的广泛应用. 因此, 如何提高Pt 的利用率成为一个关键问题. 研究表明, 在碳材料载体中掺杂氮元素, 改变了载体本身的表面结构和电子性质, 有利于Pt 颗粒的成核和生长, 可获得尺寸小、分布均匀的 Pt 纳米颗粒, 能显著提升催化反应活性和 Pt 利用率. 然而, 传统的氮掺杂方法需要在高温、高压及氨气条件下进行, 增加了催化剂制备难度和成本.原子层沉积技术是逐层超薄沉积技术, 能够在原子级别精确控制膜的厚度, 既可制备尺度均一、高度可控的纳米粒子,也能实现材料表面的可控超薄修饰. 本课题组利用原子层沉积技术优势, 首先在碳纳米管表面沉积了直径 2 nm 左右的 Pt纳米颗粒, 然后在 Pt 纳米颗粒外表面超薄修饰聚酰亚胺膜, 通过后处理得到多孔掺氮碳膜修饰的 Pt/CNTs 催化剂. 碳膜的厚度可简单通过调控聚酰亚胺膜的沉积厚度来控制. 结果表明, 适当厚度的碳膜修饰 Pt/CNTs 催化剂可显著提升其甲醇电氧化性能, 电流密度可达商业 20% Pt/C 的 2.7 倍, 催化剂稳定性也显著改善. 然而碳膜修饰过厚会导致催化剂活性降低.通过计算催化剂电化学活性表面积发现, 超薄修饰碳膜后催化剂活性表面积有所降低, 这是由于碳膜的覆盖导致表面 Pt原子数减少. 修饰前后催化剂颗粒尺度变化不大, 推测催化剂活性的提高与形成了有利于催化反应的 Pt-碳膜界面有关.然而, 当碳膜修饰层过厚时, 会导致反应物分子难以扩散到 Pt 颗粒表面, 使催化剂活性降低. 预吸附单层 CO 溶出实验结果表明, 多孔掺氮碳膜超薄修饰 Pt/CNTs 催化剂后, CO 氧化峰的起始电位和峰值电位都向低电位处偏移, 这表明 Pt 表面吸附的 CO 在较低电位下即可被氧化, CO 更容易从 Pt 表面移除, 从而提高了催化剂的抗 CO 毒化能力. X 射线光电子能谱实验结果进一步表明, 经多孔掺氮碳膜修饰后, Pt 的 4f 电子向高结合能处偏移, 表明 Pt 原子周围的电子密度减小, 从而弱化了 Pt 对 CO 吸附的σ-π键反馈作用, 即减弱了 Pt 原子对 CO 的吸附, 这是导致掺氮碳膜修饰后催化剂活性及稳定性都大幅提高的原因.     

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.     

花生壳基多孔碳负载Pd-Co催化剂应用于碱性介质中电氧化甲醇

以花生壳为原料,经KOH活化制备花生壳基多孔碳（HC）。氮气吸附-脱附研究表明,所获得的多孔碳的总表面积高达1 645 m²·g^-1。采用浸渍还原法制备了以HC为载体的Pd-Co/HC催化剂。X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明,催化剂中的Co主要以Co和CoO的形式存在,Co进入Pd的晶格并形成Pd-Co合金。Pd-Co/HC_0.5-700的透射电子显微镜（TEM）结果显示,Pd-Co纳米颗粒具有较小粒径（约4 nm）且成功地分散在HC上。Pd-Co/HC_0.5-700在碱性介质中电催化氧化甲醇时表现出优秀的电催化活性、稳定性和CO耐受性,这种显著的高性能可以归因于生物质载体大的表面积和Co的成功掺杂。     

花生壳基多孔碳负载Pd-Co催化剂应用于碱性介质中电氧化甲醇

以花生壳为原料,经KOH活化制备花生壳基多孔碳(HC)。氮气吸附-脱附研究表明,所获得的多孔碳的总表面积高达1 645 m²·g^-1。采用浸渍还原法制备了以HC为载体的Pd-Co/HC催化剂。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明,催化剂中的Co主要以Co和Co O的形式存在,Co进入Pd的晶格并形成Pd-Co合金。Pd-Co/HC_0.5-700的透射电子显微镜(TEM)结果显示,Pd-Co纳米颗粒具有较小粒径(约4 nm)且成功地分散在HC上。Pd-Co/HC_0.5-700在碱性介质中电催化氧化甲醇时表现出优秀的电催化活性、稳定性和CO耐受性,这种显著的高性能可以归因于生物质载体大的表面积和Co的成功掺杂。     

甲醇在欠电位沉积Ru修饰Pt电极上的催化氧化

采用欠电位沉积(upd)方法在Pt 表面沉积亚单层的Ru制备出upd-Ru/Pt 电极. 通过欠电位沉积前后电极在0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中循环伏安图-152 - 128 mV(vs Ag/AgCl)电位范围内对氢区的数值积分确定Pt表面Ru 的覆盖度. 用电化学方法测试了甲醇在upd-Ru/Pt电极上的催化氧化, 并讨论分析了欠电位沉积电位和Ru的表面覆盖度对甲醇氧化的影响. 结果表明, Ru能够欠电位沉积到Pt表面. Pt表面欠电位沉积少量的Ru 即能大大促进甲醇的氧化.只要控制upd-Ru的沉积量, upd-Ru原子就能大大促进甲醇氧化而与沉积电位无关. Ru原子对甲醇氧化的促进作用与Ru和Pt是否形成合金无关, 而取决于Ru 在Pt表面的百分含量.     

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.     

High loading Pt nanoparticles on ordered mesoporous carbon sphere arrays for highly active methanol electro-oxidation

Three-dimensionally (3D) ordered mesoporous carbon sphere arrays (OMCS) are explored to support high loading (60 wt%) Pt nanoparticles as electrocatalysts for the methanol oxidation reaction (MOR). The OMCS has a unique hierarchical nanostructure with ordered large mesopores and macropores that can facilitate high dispersion of the Pt nanoparticles and fast mass transport during the reactions. The prepared Pt/OMCS exhibits uniformly dispersed Pt nanoparticles with an average size of 2.0 nm on the mesoporous walls of the carbon spheres. The Pt/OMCS catalyst shows significantly enhanced specific electrochemically active surface area (ECSA) (73.5 m² g^-1) and electrocatalytic activity (0.69 mA cm^-2) for the MOR compared with the commercial 60 wt% Pt/C catalyst.     

微波-胶体法制备PEMFC纳米Pt/C电催化剂

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具有高功率密度、高能量转换效率、低工作温度和环境友好的优点，被认为是第五代燃料电池和未来较为理想的电动汽车动力源之一。为了降低PEMFC中氧还原反应的电化学极化，提高电池的输出功率，目前普遍采用Pt作为催化剂。Pt资源匮乏，价格昂贵，研究开发更好的制备工艺以减小Pt金属尺     

用乙二胺四乙酸和Pt(NO3)2制备Pt/C催化剂及其形成机理

在用Pt(NO3)2作前驱体制备Pt/C催化剂时,乙二胺四乙酸(EDTA)的存在能有效地降低Pt粒子粒径并改善其分散度。发现加入EDTA不能与Pt2+配位形成络合物,而是通过静电作用将Pt2+包裹起来,使生成的Pt粒子不易团聚,得到的Pt/C催化剂中Pt粒子的平均粒径为3 nm,而且分布均匀,因此,得到的Pt/C催化剂对甲醇氧化有很好的电催化活性和稳定性。     

Carbon Aerogels Supported Pt Nanoparticles as Electrocatalysts for Methanol Oxidation in Alkaline Media

Carbon aerogels (CAs) were prepared by sol‐gel polycondensation of resorcinol and formaldehyde with BET surface area of 616 m² g^?1 and the average pore size of 9.8 nm. The prepared CAs were used as supports for Pt nanoparticles for methanol oxidation in alkaline media. In comparison with Pt supported on commercial Vulcan XC‐72R carbon (Pt/C) electrocatalysts, Pt supported on CAs (Pt/CAs) electrocatalysts exhibited higher peak current density and more negative onset potential toward methanol oxidation. The effects of different parameters such as NaOH concentration, methanol concentration, and scan rate on the methanol oxidation reaction were investigated in detail. The results showed that the Pt/CAs electrocatalysts had promising application for methanol oxidation in alkaline media.     

Synthesis of Pt/C Electrocatalysts Under Protection of Glucose and Their Improved Methanol Electrooxidation Activity

Carbon supported Pt(Pt/C) electrocatalysts were prepared with glucose as protection agent and NaBH₄ as reductant. The Pt nanoparticles deposited on carbon support presented reduced size and well dispersity attributed to the protection effect of glucose. Glucose absorbed on the particle surface was readily removed by water washing without leading to agglomeration of the Pt nanoparticles. The as-prepared Pt/C electrocatalysts showed improved mass activity for methanol electrooxidation compared to the catalyst prepared without glucose protection. The improved performance is attributed to the larger electrochemical active surface area thus increased active sites on the Pt/C elctrocatalysts prepared under the protection of glucose.     

Self-organized nanotubular TiO2 matrix as support for dispersed Pt/Ru nanoparticles: Enhancement of the electrocatalytic oxidation of methanol

We explore oxidative electrocatalytic properties of a system consisting of bimetallic Pt/Ru nanoparticles dispersed over a nanotubular self-organized TiO₂ matrix. The nanotubular TiO₂ layers consist of individual tubes of 100 nm diameter, 500 nm length and 15 nm wall thickness. This nanotubular TiO₂ support provides a high surface area and it significantly enhances the electrocatalytic activity of Pt/Ru for methanol oxidation (relative to the performance of Pt/Ru at the same loading but immobilized on a conventional compact TiO₂ support). Annealed to anatase, the TiO₂ nanotubular support exhibits even higher enhancement effect during electrooxidation of methanol than when used in the “as-formed” amorphous structure. The overall electrocatalytic activity of the system can be further increased by illumination with UV-light (wavelength 325 nm).     

氧化铁对铂在碱性介质中催化氧化甲醇的促进作用

Pt催化剂是电催化领域用途最为广泛的贵金属催化剂.Pt资源稀缺,价格昂贵,同时它的物理化学特性又决定了其在多种催化反应中难以被替代.在质子交换膜燃料电池的小分子醇类电氧化过程中,难免存在Pt的毒化现象,其催化性能有待进一步提升.因此,围绕着Pt催化剂纳米结构的设计、抗毒性及反应机理的探索一直是电催化研究面临的重要课题.目前,已被广泛认可的提高Pt催化性能的方法之一是引入第二种金属,通过金属间协同效应(双功能机理)、张力效应或电子效应等对Pt的催化行为进行改性.对于由双/多金属组成的纳米结构催化剂,无论是协同效应还是电子效应,催化活性的提高都需要金属间有丰富的接触界面和恰当的邻近状态.通过调变两组元的种类、原子比和接触状态等可以实现对金属-金属界面的调控,进而调变催化剂性能.除金属助剂外,金属氧化物对Pt催化剂的助催化作用也引起广泛关注.由于金属氧化物与Pt之间的密切接触作用,氧化物的形貌特点对Pt的催化性能可产生重要影响.到目前为止,有关催化剂形貌效应的研究主要集中于贵金属纳米颗粒上(Pt,Au,Pd等),但关于金属氧化物载体/助剂的形貌对贵金属催化性能影响的研究尚不多.具有明确形貌的金属氧化物载体/助剂,暴露的晶面不同,表面原子的配位状态也不同,从而造成与之密切接触的Pt的性质发生改变.因此,金属氧化物的表面性质以及Pt-金属氧化物的界面性质将对电催化性能产生重要影响,深入阐释贵金属-金属氧化物的表/界面性质以及建立有效的构效关系,对设计和制备高效电催化剂具有一定的指导意义.为了提高Pt基催化剂活性、抗CO中毒能力以及稳定性,本文采用共沉淀法和水热法分别制备了纳米棒和六边形纳米片状的Fe2O3作为Pt催化剂的助剂,考察了助剂形貌对Pt催化剂在碱性介质中催化氧化甲醇的促进作用.通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱以及电化学技术对催化剂进行了表征.结果显示,Fe2O3的存在能显著提高Pt催化剂在碱性介质中对甲醇氧化的电催化性能,而且以Fe2O3纳米棒为助剂制备的Pt-Fe2O3/C-R催化剂催化活性以及稳定性比Fe2O3纳米片为助剂制备的Pt-Fe2O3/C-P催化剂更高.这种促进效应可能与助剂Fe2O3的形态有关.Pt-Fe2O3/C-R催化剂中Pt的质量比活性为5.32 A/mgPt,本征活性为162.7 A/m2Pt,分别是Pt-Fe2O3/C-P催化剂的1.67和2.04倍,是商业PtRu/C样品的4.19和6.16倍.协同效应和电子效应是Pt催化性能提升的主要原因.此外,Pt-Fe2O3/C-R样品中高价态Pt的含量较高,可能也是加速甲醇氧化反应动力学的原因之一.高价态的Pt可能会增强甲醇分子在Pt表面的吸附强度,促进Pt上甲醇氧化反应初始步.这些发现不仅可对甲醇电催化氧化机理有了更深的理解,而且对设计和制备高性能甲醇氧化电催化剂也具有一定的指导意义.     

Enhanced stability of Pt electrocatalysts by nitrogen doping in CNTs for PEM fuel cells

Electrochemical stabilities of Pt deposited on carbon nanotubes (CNTs) and nitrogen-doped carbon nanotubes (CN_x) of different nitrogen contents are compared with accelerated durability tests (ADT) for the first time. Transmission electron microscopy (TEM) images reveal the different structures of CNTs and CN_x, and the decrease of Pt particle size with the nitrogen incorporation into CNTs. Based on the loss of electrochemical surface area (ESA) and TEM images, Pt/CN_x exhibited much higher stability than Pt/CNTs, and the Pt stability increases with the increase of nitrogen contents in the CN_x supports.     

Synthesis of coin-like hollow carbon and performance as Pd catalyst support for methanol electrooxidation

The coin-like hollow carbon (CHC) has been synthesized by only using ethanol as the carbon source with a novel Mg/NiCl₂ catalytic system via a facile solvothermal method for the first time. The CHC synthesized at optimized conditions shows an average thickness of less than 154 nm and the coin diameter of 1–3 μm. The CHC is characterized by SEM, TEM, XRD and electrochemical techniques. Pd on CHC (denotes as Pd/CHC) electrocatalysts are prepared for methanol oxidation in alkaline media. The Pd/CHC electrocatalyst gives a mass activity of 2930 A g⁻¹ Pd for methanol oxidation against 870 A g⁻¹ Pd on Pd/C electrocatalyst. One main reason for the higher mass activity of the Pd/CHC is the higher electrochemical active surface area (EASA) of the Pd/CHC.