高性能燃料电池催化剂及其5kW常温常压免增湿电堆

应用高压有机溶胶法制得高性能的Pt/C催化剂.该催化剂的活性颗粒度达2.8 nm,活性比表面为450 m2/g,并进行了小批量试产(10 g).建立新型直接涂膜电极和免增湿技术,并制作了275 cm2的膜电极,设计和组装5 kW质子交换膜燃料电池电堆,以氢气为燃料,空气为氧化剂在常温常压免增湿条件下试运行,电堆连续运行10 h,输出功率基本稳定不变.     

高性能燃料电池催化剂的研制及其在5KW常温常压免增湿电堆中的应用

在采用有机溶胶法制得了一类活性组分高度分散的具有良好的低温活性的高性能催化剂的基础上,进行了催化剂的10克级放大试验,实现了燃料电池催化剂的小批量生产,催化剂的活性组分颗粒度可达2.8nm,活性比表面积可达450m2/g Pt;使用自己小批量生产的催化剂,采用自己提出的一种直接涂膜技术和免增湿技术,研制出了面积为275cm2的大面积免增湿膜电极,并且成功地设计和组装出了一台5KW的常温常压免增湿氢/空燃料电池电堆,电堆各项指标达到或者优于目前国内外报道的结果.     

中空石墨碳材料作为电催化剂载体在直接乙醇燃料电池中的应用

以间苯二酚、苯酚与甲醛为前体,合成了一种中空石墨碳材料(hollow graphitic carbon,HGC).透射电镜(TEM)、N2吸附-脱附和Raman光谱测试结果表明,所制备的HGC为中孔结构,平均孔径为36nm.与商品Vulcan XC-72R相比,HGC中孔结构丰富,石墨化程度高.分别以HGC和XC-72R为载体制备了总金属载量为45%的PtSn/C电催化剂,X射线衍射和TEM结果表明这两个样品的平均粒径和晶格常数相近.单池性能测试表明,以45%PtSn/HGC为阳极催化剂的直接乙醇燃料电池的最大功率密度达到了62mW/cm2,与PtSn/XC-72R的54mW/cm2相比提高了近15%.     

高分散Fe-N-C氧还原反应电催化剂及其在直接甲醇燃料电池中的应用

氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池等洁净发电装置中阴极的主要反应,该反应动力学过程慢,电化学极化严重. Pt基电催化剂具有较好的ORR活性,然而Pt资源有限、价格昂贵,研制高活性、低成本的代Pt电催化剂意义重大.经过几十年的探索,研究者发现将含有C, N和Fe等元素的前体进行高温热处理得到的Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的活性,然而在高温热解过程中Fe容易发生聚集而形成大块颗粒,导致Fe的利用率不高,影响了电催化剂的ORR活性.
　　本文分别以聚吡咯和乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为C和N的前驱体,利用高温热解形成的富含微孔的碳材料对铁前体的吸附及锚定作用,获得了一种Fe高度分散的Fe-N-C电催化剂.采用物理吸脱附技术、高分辨透射电镜(HRTEM)和扫描电镜对Fe-N-C及其制备过程中相关电催化剂的孔结构及表面形貌进行了表征.结果表明,在第一步热解过程中, EDTA-2Na的Na对碳材料起到了活化作用,形成富含微孔的N掺杂碳材料(N-C-1),其BET比表面积达到1227 m2/g,孔径约1.1 nm.在第二步热解过程中, N-C-1有效地抑制了Fe的聚集,产物Fe-N-C中的Fe元素均匀地分布在碳材料中,其比表面积高达1501 m2/g.
　　电化学测试结果表明,在碱性介质(0.1 mol/L NaOH)中, Fe-N-C电催化剂对ORR具有良好的催化活性, ORR起始电位(Eo)为1.08 V (vs. RHE),半波电位(E1/2)0.88 V,电子转移数n接近4, H2O2产率<3%,与商品20%Pt/C(Johnson Matthey)接近.电化学加速老化测试结果表明, Fe-N-C的E1/2未发生明显变化,而Pt的负移45 mV,表明Fe-N-C具有很好的稳定性;在酸性介质(0.1 mol/L HClO4)中, Fe-N-C的Eo为0.85 V, E1/2为0.75 V,其E1/2比Pt/C负移约0.15 V,表明在酸性介质中Fe-N-C对ORR的催化活性还有待提高.采用TEM、X射线衍射、X射线光电子能谱以及穆斯堡尔谱等方法研究了电催化剂构效关系.结果表明, Fe-N-C较好的ORR活性主要来自于高分散的Fe-N4结构,此外, N(吡啶N和石墨N)掺杂的C也对反应具有一定的催化活性.
　　与Pt/C相比, Fe-N-C电催化剂具有很好的耐甲醇性能.本文对比了Fe-N-C和Pt/C作为阴极催化剂的直接醇类燃料电池(DMFC)性能,采用质子交换膜的DMFC最大功率密度分别为47(Fe-N-C)和79 mW/cm2(Pt/C),而采用碱性电解质膜的则分别为33(Fe-N-C)和8 mW/cm2(Pt/C).结合半电池结果表明, Fe-N-C电催化剂在碱性介质中具有比Pt更为优秀的催化活性和稳定性,有望用作DMFC阴极代Pt催化剂.     

高性能Pt纳米管中管电催化剂在甲醇燃料电池中的应用

通过ZnO模板辅助的电沉积方法设计和合成了Pt管中管阵列.作为一种具有利用率高、活性物质传输快的三维结构的电催化剂,Pt管中管阵列显示了高电化学活性面积（64.9 m²/gPt）.与Pt纳米管和商业Pt/C催化剂相比,Pt管中管阵列明显提高了甲醇氧化电催化活性和稳定性.另外,Pt管中管阵列也显示了优越的抗CO毒化能力.这个研究展示了高性能Pt基直接甲醇燃料电池电催化的一个重要进展.     

Pd纳米晶的调控合成及其在燃料电池中的应用

贵金属Pd纳米晶体的催化性能与其表面结构有着密切联系。基于目前Pd多面体纳米晶体可控合成技术的发展,Pd纳米晶体催化性能的进一步优化及其在催化领域的应用前景依然广阔。本文主要阐述了关于Pd多面体纳米晶的制备及其作为电催化剂在燃料电池中应用的最新研究进展。在介绍纳米晶体的生长机理及其表面结构与晶体形状的关系之后,重点描述了Pd多面体纳米晶体常见的几种制备方法,概述了Pd多面体纳米晶体作为催化剂在燃料电池阴极和阳极中的应用。最后总结展望了Pd多面体纳米晶体作为催化剂的研究方向及其发展前景。     

单金属位点催化剂的制备、表征及其在燃料电池中的应用

介绍了一个综合性较强的大学化学实验——单金属位点催化剂的制备及其在燃料电池中的应用。该实验是一个科研转化的综合化学实验,通过在氨气中简单热处理金属盐和氧化石墨烯,将金属原子单分散在氮掺杂的石墨烯骨架中（标记为M-NG）。通过XRD、TEM、SEM、HAADF-STEM等多种表征技术对催化材料进行结构表征,以碱性的氢氧化钾溶液为电解质测试催化剂在氧还原反应中的活性,从而开发单位点金属催化剂在燃料电池中的应用潜力。通过本实验将最前沿的学术研究成果和实践技能融入实验教学中,可以提高学生的综合实验操作技能,培养学生对科研的探究兴趣和探索能力。     

PtRu纳米线的合成及其在直接甲醇燃料电池阳极中的催化活性

 分别以SBA-15和MCM-41介孔分子筛作模板剂,采用浸渍还原法制备了纵横比及合金度不同的双组元PtRu纳米线和纳米棒电催化剂. 透射电镜、 X射线衍射表征和电化学测试结果表明, PtRu纳米线具有较高的合金度和较大的纵横比,在甲醇硫酸溶液中表现出更好的电催化活性. 初步探讨了PtRu纳米线催化剂的合金度和纵横比对其电催化活性和电极性能的影响.     

NiO-YSZ-石墨水系浆料的研制及其在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用

Ni-YSZ(钇稳定氧化锆)金属陶瓷普遍被用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极材料,其氧化物浆料的性质对湿法制备的SOFC的性能具有重要影响.通过zeta电位分析,研究了NiO-YSZ双分散相水系浆料的稳定性.对六种分散剂作用于NiO、YSZ表面的zeta电位进行研究,发现采用的阴离子分散剂和两性分散剂使NiO和YSZ在水中带有相反电荷而引起迅速絮凝;采用阳离子分散剂聚二烯二甲基氯化铵(PDAC)时,NiO和YSZ因带有正电荷相互排斥而稳定分散于水中,在此基础上,加入作为SOFC阳极造孔剂的石墨,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为石墨的分散剂,制备出了NiO-YSZ-石墨的稳定水系浆料.采用此浆料通过注浆成型制得阳极支撑管,进而组装成SOFC单电池.该单电池在800°C时最大功率密度达到509 mW·cm-2;扫描电镜(SEM)分析表明电极与电解质间接触良好,阳极孔洞分布均匀.     

NiO-YSZ-石墨水系浆料的研制及其在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用

Ni-YSZ(钇稳定氧化锆)金属陶瓷普遍被用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极材料,其氧化物浆料的性质对湿法制备的SOFC的性能具有重要影响. 通过zeta 电位分析,研究了NiO-YSZ双分散相水系浆料的稳定性. 对六种分散剂作用于NiO、YSZ 表面的zeta 电位进行研究,发现采用的阴离子分散剂和两性分散剂使NiO 和YSZ在水中带有相反电荷而引起迅速絮凝; 采用阳离子分散剂聚二烯二甲基氯化铵(PDAC)时,NiO 和YSZ因带有正电荷相互排斥而稳定分散于水中,在此基础上,加入作为SOFC阳极造孔剂的石墨,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为石墨的分散剂,制备出了NiO-YSZ-石墨的稳定水系浆料. 采用此浆料通过注浆成型制得阳极支撑管,进而组装成SOFC单电池. 该单电池在800℃时最大功率密度达到509 mW·cm^-2; 扫描电镜(SEM)分析表明电极与电解质间接触良好,阳极孔洞分布均匀.     

新型Pd/HZSM-5-N催化剂的制备及其在苯甲醇氧化反应中的应用

以分子筛HZSM-5为前驱体,氨气为氮源,直接高温氮化制得掺氮分子筛HZSM-5-N(1);以Pd(OAc)₂为钯源,1为载体,采用溶胶-固载法制备了一系列不同钯负载量(α)的新型Pd^α/1催化剂,其结构和性质经SEM, FT-IR,元素分析,XRD, N₂-BET和ICP表征。以苯甲醇氧化成苯甲醛反应为探针反应,研究了α, Pd^α/1用量,反应时间和反应温度对Pd^α/1催化性能的影响。结果表明：在最优反应条件(Pd₂/1 40 mg,于120 ℃反应180 min)下,苯甲醇转化率为66.7%,苯甲醛选择性为92.9%。 Pd₂/1重复使用性能较好,循环使用5次,催化活性保持不变。     

蒸气相法ZSM-5分子筛的合成及其负载的Mo催化剂在甲烷芳构化中的应用

采用蒸气相法使无定形凝胶在水蒸气中结晶形成ZSM-5分子筛,通过X射线衍射、红外光谱、热重、扫描电镜以及能量色散型X射线荧光分析对合成的分子筛进行了表征.结果表明,蒸气相法比水热法更易合成出粒径均匀、形貌规则的小颗粒分子筛(粒径为150～250nm),将其负载Mo后用于甲烷无氧芳构化反应中,表现出更好的催化性能,初期甲烷转化率达17.5%,同时表现出更高的稳定性和容炭能力.     

纳米金/碳催化剂的合成及其在多巴胺电化学检测中的应用(英文)

建立了一种合成碳负载型金纳米颗粒(AuC)的新方法.将酵母菌、葡萄糖及HAuCl4溶液混合后置于恒温摇床中,在310K下振荡数天得到酵母菌吸附的金前体盐(AuY);将AuY在氮气气氛中1 273K下煅烧得到AuC.采用扫描电镜和透射电镜观察了AuC的形貌;将AuC修饰在玻碳电极上并用于多巴胺的电化学检测.结果表明,AuY培养3d后,其酵母菌颗粒粒径分布不均匀,这主要是由于大量葡萄糖的吸附和包裹以及酵母孢子的存在所致;而AuY培养6d后得到的金颗粒粒径分布均匀,粒径约为10nm.此外,AuC在多巴胺电化学检测中具有非常好的响应,且检出限较低,其电化学过程为混合动力学控制过程.     

多级结构ZSM-5沸石分子筛的合成及其Mo基催化剂在甲烷无氧脱氢芳构化中的应用

以经盐酸预处理的碳纳米管为第二模板,在不添加其它有机溶剂的情况下,仅通过控制晶化条件,即采用变温水热晶化法合成具有多级结构的ZSM-5分子筛.通过x射线衍射、红外光谱测试、透射电镜和N2吸附对合成的分子筛进行了表征,结果表明,该合成分子筛呈近球形,是由纳米棒自组装形成的具有多级结构的亚微米球.该分子筛改性后用于甲烷无氧脱氢芳构化反应,显示出良好的催化性能,甲烷转化率最初达到19%,反应至24 h时甲烷转化率仍保持在10%左右,并且保持了较高的芳香物选择性(达到50%以上).     

原位57Fe穆斯堡尔光谱技术及其在Ni-Fe基析氧反应电催化剂中的应用(英文)

近年来,析氧反应(oxygen evolution reaction)中针对高效且具有成本效益的电催化剂开发一直是构筑有效利用可再生能源存储系统和水分解生产清洁氢能燃料的重大障碍。OER过程涉及四电子、四质子耦合并形成氧-氧(O-O)键,因此动力学上进程缓慢。为提升其在水分解产氢及二氧化碳还原反应中的应用,需要开发高效催化剂,降低OER过电位,以减轻能量转换过程中固有的能量损失。研究表明,IrO₂和RuO₂具有较低析氧过电位,但储量低、价格昂贵,大大限制了其在析氧反应中的大规模应用。而Ni-Fe基析氧催化剂在碱性水分解反应中展现了优异的性能,其在水分解过程中的催化机制仍有待进一步研究。为了解决Ni-Fe基催化剂在析氧反应过程中反应位点及催化反应机制等关键问题,迫切需要更先进的原位技术来准确表征,原位追踪催化剂形态变化与电解质/电极之间的界面相互作用的影响。光谱与电化学结合的原位技术可以监测析氧反应过程催化剂自身的变化。目前,已有大量原位光谱技术与电化学进行结合,揭示Ni-Fe基催化剂在OER过程中的反应机理及活性位点,包括原位表面增强拉曼光谱...     

超临界CO2辅助固体酸催化剂的制备及其在ε-己内酯开环聚合中的应用

超临界CO2辅助固体酸催化剂的制备及其在ε-己内酯开环聚合中的应用;超临界二氧化碳;铝;中孔分子筛;ε-己内酯;聚合