碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法研究 II:催化剂的影响

用MSCV法研究了Pt催化剂作用下, 碳材料在PH0.3～11.8范围内的阳极腐蚀.Pt催化剂明显加速了活性炭及乙炔黑的腐蚀速度, 使这两种电极上CO2开始析出的电位ΦO2/H2O。因此两种碳电极无论作为阳极还是氧阴极工作时均会被腐蚀。Pt对乙炔黑的催化活性明显强于活性炭, 对于活性炭, Pt并不改变CO2的ΦS-PH曲线的形状(ηS-CO2如析出的超电势)(即无论有无Pt它们均为折点在PH～7折线)。然而乙炔黑的情况更为复杂, Pt使CO2的ΦS-PH及ηS-PH形状从折线变为直线; 在CO2的IM-Φ曲线上出现两个波。它们似与乙炔黑上两种表面氧化物相对应。     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法研究 II:催化剂的影响

用MSCV法研究了Pt催化剂作用下, 碳材料在PH0.3～11.8范围内的阳极腐蚀.Pt催化剂明显加速了活性炭及乙炔黑的腐蚀速度, 使这两种电极上CO2开始析出的电位ΦO2/H2O。因此两种碳电极无论作为阳极还是氧阴极工作时均会被腐蚀。Pt对乙炔黑的催化活性明显强于活性炭, 对于活性炭, Pt并不改变CO2的ΦS-PH曲线的形状(ηS-CO2如析出的超电势)(即无论有无Pt它们均为折点在PH～7折线)。然而乙炔黑的情况更为复杂, Pt使CO2的ΦS-PH及ηS-PH形状从折线变为直线; 在CO2的IM-Φ曲线上出现两个波。它们似与乙炔黑上两种表面氧化物相对应。     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法的研究 Ⅰ.溶液pH值对不同碳材料的影响

用MSCV法研究了活性炭及乙炔黑在pH1—12范围内的电氧化,两种炭的φ_s、η_s与pH的关系(φ_(?)及η_(?)是CO_2开始析出的电位及超电位)以及I_M、φ_I与pH的关系(I_M、φ_I分别为给定电位下的质谱强度及给定I_M下的电位)均为一折点在的pH～7的折线.这暗示酸、碱介质中有不同的氧化机理.pH>7时,η_s及Tafel斜率b均较pH<7时的大.似可推断在酸性介质中形成CO_2所需的氧原子来自水分子放电,其活性明显大于来自碱性溶液中OH~-放电产生的氧原子.因而在酸性介质中炭氧化为CO_2较碱性介质中易于进行.两种炭之间氧化活性亦有明显区别.活性炭的φ_(?)比φ°(O_2/H_2O)负400—600mV;乙炔黑的φ_s则接近或正于φ°(O_2/H_2O).前者的I_M及b均较后者大.乙炔黑较低的氧化活性可归因于其较高的有序性结构.     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法的研究: I. 溶液pH值对不同 碳材料的影响

用MSCV法研究了活性炭及乙炔黑在pH1-12范围内的电氧化,两种炭的φ~s、η~s与pH的关系(φ~s及η~s是CO~2开始析出的电位及超电位)以及I~M、φ~I与pH的关系(I~M、φ~I分别为给定电位下的质谱强度及给定I~M下的电位)均为一折点在的pH～7的折线。这暗示酸、碱介质中有不同的氧化机理。pH>7时,η~s及Tafel斜率b均较pH<7时的大。似可推断在酸性介质中形成CO~2所需的氧原子来自水分子放电,其活性明显大于来自碱性溶液中OH^-放电产生的氧原子。因而在酸性介质中炭氧化为CO~2较碱性介质中易于进行。两种炭之间氧化活性亦有明显区别。活性炭的φ~s比φⅲ(O~2/H~2O)负400-600mV;乙炔黑的φ~s则接近或正于φⅲ(O~2/H~2O)。前者的I~M及b均后者大。乙炔黑较低的氧化活性可归因于其较高的有序性结构。     

碳材料电化学腐蚀的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法的研究: I. 溶液pH值对不同 碳材料的影响

用MSCV法研究了活性炭及乙炔黑在pH1-12范围内的电氧化,两种炭的φ~s、η~s与pH的关系(φ~s及η~s是CO~2开始析出的电位及超电位)以及I~M、φ~I与pH的关系(I~M、φ~I分别为给定电位下的质谱强度及给定I~M下的电位)均为一折点在的pH～7的折线。这暗示酸、碱介质中有不同的氧化机理。pH>7时,η~s及Tafel斜率b均较pH<7时的大。似可推断在酸性介质中形成CO~2所需的氧原子来自水分子放电,其活性明显大于来自碱性溶液中OH^-放电产生的氧原子。因而在酸性介质中炭氧化为CO~2较碱性介质中易于进行。两种炭之间氧化活性亦有明显区别。活性炭的φ~s比φⅲ(O~2/H~2O)负400-600mV;乙炔黑的φ~s则接近或正于φⅲ(O~2/H~2O)。前者的I~M及b均后者大。乙炔黑较低的氧化活性可归因于其较高的有序性结构。     

在LiCl-KCl-NaCl熔盐体系中碳的阴极还原的研究

用循环伏安法和电位阶跃法研究了LiCl-KCl-NaCl熔盐体系中碳的阴极还原机理。在钨、铂、不锈钢等微电极上得到的伏安图表明碳的还原是由CO_3~(2-)离子经一步电化学反应实现的,电极反应速度控制步骤为CO_3~(2-)离子向阴极的扩散过程,还原过程具有反应物吸附特征。碳在W、Pt、不锈钢电极上析出电位分别为-2.05V、-1.745V和-1.90V(均相对于Ag/AgCl参比电极)。     

制备过程中缓冲溶液对Pt-Ru/C电催化剂性能的影响

 采用浸渍还原法制备了Pt-Ru/C直接甲醇燃料电池阳极催化剂. 为了提高催化剂的活性,使用乙酸钠和氢氧化钠缓冲溶液来调节反应溶液的pH值,考察了缓冲溶液对催化剂性能的影响; 通过XRD和TEM技术对催化剂的晶体结构及微观形貌进行了分析; 并利用玻碳电极测试了催化剂在0.5 mol/L CH3OH和0.5 mol/L H2SO4混合溶液中的循环伏安曲线和阶跃电位曲线,考察了催化剂对甲醇阳极催化氧化活性的影响. 结果表明,用乙酸钠和氢氧化钠缓冲溶液调节反应溶液pH值所得催化剂的性能优于用NaOH调节反应溶液pH值所得的催化剂. 缓冲溶液pH值对催化剂性能有较大影响,使用pH值为12的缓冲溶液所制备的催化剂性能最佳, Pt-Ru颗粒在碳载体上分散均匀,其最小粒径为4.2 nm. 还原温度对缓冲溶液作用的发挥有一定影响,还原温度升高会使溶液的pH值下降,不利于缓冲溶液作用的发挥.     

高分散的介孔碳载Pt纳米粒子的制备及其对乙二醇的电催化氧化性能

以二氧化硅溶胶为硬模板,嵌段聚合物F127为软模板,通过双模板法合成了高介孔比例、窄孔径分布的介孔碳(MC).进而经乙二醇还原法制备了高分散的MC载铂催化剂(Pt/MC).采用循环伏安、计时电流、线性扫描伏安和电化学阻抗谱法研究了硫酸溶液中乙二醇在Pt/MC催化剂电极上的电化学氧化行为.实验结果表明,Pt/MC催化剂对乙二醇的电催化氧化性能显著高于商业化炭黑XC72R载Pt(Pt/XC72R)催化剂.电化学阻抗谱分析进一步揭示,乙二醇在Pt/MC催化剂电极上的电氧化反应具有较低的电荷传递电阻.Pt/MC催化剂高的电催化活性可以归结于MC大的孔径和均一的介孔结构对电子传输和传质的促进作用.     

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.     

苯胺在SnO2/Ti电极上的电化学氧化

研究了以SnO2/Ti为阳极降解苯胺的电化学降解特性.实验结果表明,同Pt电极比较,掺 F的SnO2/Ti电极对苯胺的降解表现了明显的效果.苯胺在SnO2/Ti电极上氧化降解速率主要决 定于其中间产物的阳极溶解行为.由中间产物构成的有机膜的阳极溶解是反应的慢步骤.研究 了苯胺溶液的浓度、pH和电流密度对苯胺降解速率的影响规律,对反应中间产物的复杂性及 构成“膜”的理化性质进行了初步分析.     

苯胺在SnO_2/Ti电极上的电化学氧化

研究了以SnO_2/Ti为阳极降解苯胺的电化学降解特性.实验结果表明,同Pt电极比较,掺F的SnO_2/Ti电极对苯胺的降解表现了明显的效果.苯胺在SnO_2/Ti电极上氧化降解速率主要决定于其中间产物的阳极溶解行为.由中间产物构成的有机膜的阳极溶解是反应的慢步骤.研究了苯胺溶液的浓度、pH和电流密度对苯胺降解速率的影响规律,对反应中间产物的复杂性及构成“膜”的理化性质进行了初步分析.     

不饱和醇电还原的质谱-电化学循环伏安(MSCV)法研究 Ⅱ.炔丙醇的电还原

炔丙醇在多孔Pt黑电极上,0.5mol·dm~(-3)HClO_4溶液中电还原的MSCV研究结果表明炔丙醇电还原时既涉及烯丙基上C—OH断键反应亦涉及炔丙基上C—OH断键反应生成烃类.此外有少量炔丙醇直接质子化生成部分饱和的烯丙醇.表征各种反应产物的m/z的质谱电流-电极电位扫描曲线(I_(M-φ))详细描绘了各分步反应的图象.各m/z的lgI_(M-φ)曲线在一定电位范围内呈线性,并求得它们的Tafel斜率.依据实验结果对反应机理进行了详细分析.     

基于镍/氮掺杂碳复合材料的双功能电催化剂合成及电化学性能研究

通过高温热解氢氧化镍/聚苯胺前驱体,制备了镍/氮掺杂碳复合材料,并作为双功能电催化剂应用于可充电锌-空气电池。利用X射线衍射、透射电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱等对样品的形貌与结构进行表征,并利用电化学工作站与旋转圆盘电极对样品的氧还原与氧析出电催化性能进行测试。线性扫描伏安曲线的结果表明,在0.1 M KOH水溶液中氧还原起始电位与半波电位分别为0.894 V和0.833 V vs.RHE,接近商业Pt/C。氧析出过电位在电流密度为10 mA·cm^-2时为0.356 V vs.RHE,略优于RuO₂。     

电化学方法制备高分散Pt/CMK-3及其对甲醇电化学催化性能

采用直接电化学还原法在介孔碳(CMK-3)载体上直接电沉积高分散的铂纳米颗粒,制备CMK-3复合铂纳米颗粒电极(Pt/CMK-3)。 通过透射电子显微镜分析发现,铂纳米颗粒非常均匀的分布在CMK-3上,平均粒径约5 nm。 通过循环伏安测试,分析了催化剂不同负载铂含量时氯铂酸的利用率,在理论铂质量分数为20%时,这种方法制备的Pt/CMK-3所使用的氯铂酸的利用率最高,在1 mol/L CH3OH+0.5 mol/L H2SO4溶液中循环伏安测试电流密度达到382 A/g。 在相同实验条件下,Pt/CMK-3电极对甲醇电催化活性远高于Pt/XC-72(炭黑)电极和用常规电沉积方法制备的Pt/CMK-3电极。     

酸溶液中氧在Ti/RuO2+TiO2电极上阳极析出动力学与机理研究

本文通过在酸溶液中Ti/RuO_2+TiO_2电极上氧阳极析出动力学的研究, 表明酸溶液中氧阳极析出的极化曲线同样具有两Tafel区. 低极化区的Tafel斜率? φ/?lgi=2.303RT/(1+β)F(即0.039 V, 其中β=0.5). 高极化区为?φ/?lg i=2.303RT/βF(即0.118 V). 在前一区域内氧析出反应对于水分子活度(α_w)的反应级数为4, 即i～α_w~4. 后一区域内则为2, 即i～α_w~2. 实验结果表明, 酸溶液中上述电极上氧阳极析出是按反应序列(1)、(2)进行的     

锌铋合金电极在溶胶电解液中的电化学行为

锌电极的自腐蚀速率, 持续放电下的阳极溶解速率和电极钝化的难易程度是碱性电池性能的重要电化学参数. 本文应用线性极化、恒流放电等电化学实验方法研究了电解液中添加Carbopol树脂以及电极中添加Bi对锌电极电化学行为的影响. 并应用金相显微镜和环境扫描电子显微镜(ESEM)对锌电极和锌铋合金电极浸蚀及放电后的形貌进行了表征. 结果表明: 电解液中添加适量的Carbopol树脂可明显提高电极的极化电阻, 显著降低电极的自腐蚀速率; 阳极的溶解电位出现不同程度的正移, 阳极过电位显著增大且大电流密度放电时较明显促进电极钝化. 锌电极中添加一定量的Bi对改善电极表面氧化物膜的沉积形貌和电极表面固液界面的传质条件, 减小电极的自腐蚀速率, 抑制电极自腐蚀等方面具有显著作用.     

利用MOF-253衍生氮掺杂碳限域效应促进Pt纳米单晶电催化剂的氧析出反应

目前,为了有效解决电化学能量转化反应动力学过程缓慢和商业化应用等问题,需要大力提高催化剂的电催化活性和稳定性,并大幅降低贵金属催化剂的用量.通常,铂(Pt)基催化剂对燃料电池的氧还原反应(ORR)和水电解过程的氢析出反应(HER)表现出很高的活性.然而,对于高效的金属-空气电池和水电解装置,其中的氧析出反应(OER)则需要高活性的非Pt电催化剂来降低电化学过电位及提高其对高电位的耐受性.虽然相较于Pt催化剂,IrO2和RuO2等贵金属催化剂表现出了更高的OER活性,然而,它们的稳定性差,难以满足实际应用需求,严重阻碍了其在金属-空气电池和水电解中的应用.通常,Pt对OER的低效催化主要归因于在OER电催化过程中Pt与电解液直接接触,导致Pt表面快速被氧化,形成Pt氧化物(Pt^+4O2和Pt^+2O)层.形成的Pt氧化物对OER不起催化作用,从而降低了Pt的利用率和总的水电解效率.为了避免Pt表面的快速氧化,实现高的OER性能,我们将Pt金属纳米粒子有效地限域在超薄功能多孔碳层内.前期,已有大量的有关金属基ORR和HER催化剂研究证明,这种策略对于稳定金属纳米颗粒非常有效,可有效避免金属催化剂的快速氧化,而且还可抑制金属颗粒迁移和团聚;此外,还有利于增强催化剂的导电性和离子物种的扩散能力,从而提高催化剂的电催化性能.然而,要达到提高金属催化剂OER电催化性能的目的,还需要设计一种具有优良结构的功能化异质原子掺杂多孔碳基限域材料.金属有机框架(MOF),特别是MOF-253,由于具有较高的柔韧性、丰富的孔、可控的几何结构和高比表面积,被认为是制备功能多孔碳基限域材料的理想前驱体.为此,通过结合功能多孔碳基材料的限域作用及MOF-253和超细Pt纳米单晶的优势,本文合成了MOF-253衍生氮掺杂碳(N/C)限域的Pt纳米单晶(Pt@N/C)核壳型电催化剂.制备的Pt-N-C框架不仅具有超薄的氮掺杂活性多孔碳保护层壳体(平均厚度为0.51 nm),还有具高度分散和稳定化的Pt纳米单晶核体;值得指出的是,因受到碳层的限域作用,即使经900℃的高温处理,Pt纳米单晶仍保持了较小的晶体尺寸(平均粒径仅为6.7 nm);此外,该催化剂的Pt载量较低,仅为6.1wt%(Pt@N/C-10).将其作为OER电催化剂,表现出优异的OER性能:在10 mA cm^-2电流密度下,其过电位仅为298 mV,低于商业IrO2催化剂(353 mV);而且,经2000周加速电位扫描后,其电位仅降低19.4 mV,也低于IrO2(23.3 mV).本文很好地证明了通过构建空间限域结构可以有效解决Pt等金属催化剂因表面氧化而导致OER动力学活性和稳定性低的问题.     

电化学石英晶体微天平研究碱性介质中单层级铂原子修饰的金电极上甲醇的电催化氧化

通过在Au电极表面欠电位沉积(UPD)Cu、再与Pt源(H2PtCl6或K2PtCl4)进行置换反应,制得单层级Pt原子修饰的金电极(对H2PtCl6或K2PtCl4,所制电极分别记为Pt(CuUPD-Pt4+)n/Au或Pt(CuUPD-Pt2+)n/Au,n表示欠电位沉积-置换过程的重复次数).用电化学石英晶体微天平(EQCM)技术定量研究了所制电极,评估了其在碱性环境中催化甲醇氧化的质量比活性(SECA).结果表明,以H2PtCl6为Pt源所制电极(Pt(CuUPD-Pt4+)3/Au)的活性更高,最大SECA高达35.7mAμg-1.根据EQCM结果计算了置换效率,籍此讨论了Pt原子在Au电极表面的层层组装结构,发现所制电极表面的裸Au位点分布百分数与实验结果(由AuOx还原峰电量测算)吻合.我们认为,EQCM技术是一种定量研究电极支撑的超薄催化剂的有效手段,这种高效的单层级贵金属催化剂有望在生物、能源、环境相关的电催化研究中进一步应用.     

用于电化学水氧化的铁、镍、钴金属及其二元金属纳米颗粒比较研究（英文）

从环境兼容角度来设计应用于氧析出反应的电催化剂是否有效、耐用和廉价对能源转化过程至关重要.本文报告了一种快速制备低成本、原料丰富的金属催化剂制备方法.通过一步电化学沉积法在钛金属基材上制备了铁、镍、钴金属及其钴镍、钴铁二元金属纳米颗粒.采用场发射电子显微镜(FE-SEM)、能量散射X-射线能谱(EDX)、X-射线衍射光谱(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)和电化学技术对制备的不同纳米颗粒进行了表征.电化学结果显示,在合成的五种钛基金属纳米催化剂中,钛基上沉积钴金属纳米颗粒(Ti/Co)电极在0.l mol·L~(-1)氢氧化钾溶液中氧析出反应的电催化活性最好,0.70 V(相对于银/氯化银电极)的电流密度为10.0 mA·cm~(-2).经优化后Ti/Co电极的过电位(η)很小,当电流密度为10.0 mA·cm~(-2)时η为0.43 V,质量活性高达105.7 A·g~(-1),逆转频率(TOF)值为1.63×10~(-3) s~(-1),这些与当前最好的碳载铂(Pt/C)和氧化钌(RuO_2)电催化剂的性能相当.此外,通过计时电位技术对优化后Ti/Co电极的耐久性进行了测试,发现该电极在碱性溶液中氧析出反应的稳定性良好.本工作制备的钛金属基材上电化学沉积金属钴纳米颗粒具有高催化活性、高稳定性、原料来源丰富、廉价且易于大规模生产,在工业化水分解领域具有潜在的应用前景.     

直接甲醇燃料电池高稳定性Pt/RuO_2/C阴极催化剂研究

应用湿化学法制备RuO2/C纳米复合物,并以其为载体借助微波法制备成Pt/RuO2/C催化剂.使用透射电镜和X射线衍射分析RuO2/C载体、Pt/RuO2/C催化剂的形貌及晶体结构;循环伏安、稳态阳极腐蚀和旋转圆盘电极等测试电化学性能.结果表明,Pt/RuO2/C催化剂具有良好的耐甲醇渗透性和稳定性,可有效延长催化剂的使用寿命.本文为探索新型高性能DMFC阴极催化剂之制备提供了一条较好的途径.