基于新球型微观结构模型模拟PEMFC催化层

建立了一个新球型催化层微观结构模型, 并基于此模型对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能进行了模拟. 该模型中假设催化层由Pt/C 颗粒和离子聚合物-孔混合相组成. 假设Pt/C 颗粒为球形结构, 其直径符合正态分布, 用不同直径的球来表示随机分散在电极中的Pt/C 颗粒. 计算了催化层内的传递和电化学反应, 研究了质子和氧气及电化学反应速率在电极厚度方向上的分布, 并且通过对比氧气浓度、过电位和电化学反应速率的分布、极化曲线及催化剂利用率等证明了适当的电极厚度与Pt/C颗粒粒径有利于提高电池性能.     

基于微观格点模型模拟PEMFC定向结构催化层

用微观格点模型对质子交换膜燃料电池(PEMFC)定向结构阴极性能进行了模拟,并与随机结构电极进行了对比,研究了催化剂利用率及电池性能的变化.计算了催化层内的传递和电化学反应,研究了质子、氧气及电化学反应速率在电极厚度方向上的分布,并且通过对比氧气浓度、离子电势和电化学反应速率的分布,证明了Pt/C颗粒在电极厚度方向上定向排布有利于提高电池性能.另外,研究了电极厚度对定向结构电极性能的影响,发现与随机结构电极不同,定向结构电极厚度越小,高电流密度下电极性能越好.     

相转移催化法实现聚苯乙烯的功能化转变

以对羟基苯甲醛的钠盐为亲核取代试剂,采用相转移催化进行了大分子氯甲基聚苯乙烯的亲核取代反应,将其转变为侧链带有功能性基团醛基的聚苯乙烯;考察了反应条件(如有机溶剂的极性、催化剂种类及用量、有机相与水相之比等)对大分子相转移催化反应的影响,并根据相转移催化反应机理与相关的动力学规律进行了分析.结果表明,通过相转移催化亲核取代反应,可将氯甲基聚苯乙烯大分子链上的氯原子转化,制得侧链带有醛基的聚苯乙烯;溶剂的极性越强,负离子的反应活性也越高;催化剂季铵正离子的亲脂性越强,相转移催化反应的速率越快.当催化剂浓度较低时,四丁基溴化铵比十六烷基溴化铵的催化效果好;当催化剂浓度较高时,十六烷基溴化铵比四丁基溴化铵的催化效果好.另外,有机相与水相之比对相转移催化反应有较大的影响.     

温控相转移配体及催化(ⅩⅥ)──Rh/PETPP催化的水/有机两相邻氯硝基苯CO还原反应动力学的研究

首次将具有"温控相转移催化"功能的非离子表面活性水溶性膦/铑配合物用于以CO为还原剂的水/有机两相芳香硝基物选择还原反应.以邻氯硝基苯为底物考察了反应温度、CO压力、底物浓度、催化剂浓度和水/有机两相体积比等对反应转化率和选择性的影响.结果表明,当反应条件为150℃和4MPa,反应32h时,邻氯硝基苯的转化率为98%,邻氯苯胺的选择性接近100%.动力学研究表明,底物浓度和催化剂浓度分别对反应速率呈一级,反应的表观活化能E_a=131.13kJ/mol.     

PEMFC阴极催化层结构分析

采用CCS法（catalyst coated substrate）构建铂纳米颗粒（Pt-NPs）和铂纳米线（Pt-NWs）双层催化层结构,分析其对单电池电化学性能的影响。对于富铂/贫铂双层铂纳米颗粒结构,靠近质子交换膜侧的富铂层中致密的铂颗粒结构能促进ORR速率,而靠近气体扩散层一侧的具有更高的孔隙率和平均孔尺寸的贫铂层,有利于反应气体的传输和扩散,当贫富铂层铂载量比为1:2时,单电池测试表现出最优性能,在0.6 V时的电流密度达到了1.05 A·cm^-2,峰值功率密度为0.69 W·cm^-2,较常规单层催化层结构提升了21%。在以Pt-NPs作为基底层时生长Pt-NWs时,得到了梯度分布的双层结构。铂颗粒的存在促进了铂前驱体的还原,并为新形成的铂原子提供了沉积位置。在Pt-NPs基底上生长的Pt-NWs具有更均匀的分布以及更致密的绒毛结构,并且自然形成了一种梯度分布。优化后的Pt-NWs催化层在0.6 V时的电流密度提高了21%。含有双层催化层结构的膜电极具有更高的催化剂利用率,对阴极催化层结构的优化和制备提供了新思路。     

PEMFC电极中表面扩散现象的初步研究

制作双催化层结构的PEMFC电极.该双催化层由含有Nafion的内催化层、无Nafion的外催化层组成.循环伏安测试表明,未与Nafion直接接触的外催化层Pt/C催化剂也参与发生在"Pt/Nafion"界面氢原子的吸脱附反应和Pt表面含氧粒子的电化学氧化还原.当电势扫描速率较低时,未与Nafion直接接触的外层Pt/C催化剂,其对氢脱附电流的贡献和直接与Nafion接触的内催化层的Pt/C催化剂大致相当.以双催化层电极作PEMFC阴极,单电池(PEMFC)极化曲线测试表明,其阴极外催化层能明显地提高该单电池在活化极化区的输出性能.进一步证明了PEMFC阴极外催化层不与Nafion直接接触的Pt/C催化剂可通过其表面吸附含氧粒子的表面扩散参与发生在"Pt/Nafion"界面氧的电化学还原反应.上述实验为设计PEMFC电极提供了一定的新思路.     

原位负载Au纳米层在锂空气电池正极中的电催化特性

通过自发交换法使Au与非水性锂空气电池中的泡沫镍集流体发生反应,实现了金纳米层催化剂的原位负载.将其作为非水性锂空气电池正极,研究了不同气氛(纯氧、大气和模拟大气)下电池的电化学性能.结果表明,Au纳米层催化剂对氧还原反应/氧逸出反应起到了双功能催化作用,使得氧气电极在不同气氛下的首次放电容量与电压均显著提升,容量分别提升至9169,1604和1853 m A·h/gcarbon;同时氧气电极在模拟大气下的充电过电位降低,能量效率提高,循环性能得到一定提升.     

固载化冠醚二苯并-18-冠-6在苯甲酸丁酯合成反应中的相转移催化作用

在交联聚乙烯醇(CPVA)微球表面固载冠醚二苯并-18-冠-6 (DBC), 从而制得三相相转移催化剂DBC-CPVA; 在此基础上, 以苯甲酸钾与溴代正丁烷的酯化反应为模型反应体系, 重点研究固体催化剂DBC-CPVA的相转移催化性能, 考察主要因素对液-固-液三相相转移催化反应的影响. 结果表明, 在本研究体系中, 水相中的苯甲酸钾与有机相中的溴代正丁烷可顺利地发生酯化反应, 这一结果显示出固载于DBC-CPVA表面的DBC与K+离子形成的络合物阳离子, 能有效地将苯甲酸根负离子转移至有机相, 使酯化反应顺利地进行. 有机相的极性越强, 酯化反应的速率越快, 溴代正丁烷的转化率越高; 有机相与水相体积比为1:4时, 酯化反应具有最大的速率, 溴代正丁烷的转化率可达70%. 固体催化剂DBC-CPVA循环使用8次, 催化活性保持稳定.     

钛电极苯酚降解反应动力学的Monte Carlo模拟

应用Monte Carlo方法,结合化学反应随机过程理论,模拟钛电极上苯酚电催化氧化反应机理,研究苯酚降解时间、初始浓度、电极的催化性能及反应中间产物对降解过程的影响.结果表明:苯酚浓度随时间变化逐渐降低并渐趋稳定,苯酚初始浓度较高时降解速率快,具有较高催化性能的电极对降解第1步反应的影响较大,可有效减少中间产物停留时间,但控制第1步反应则对降解过程尤其是第2步反应的产物有明显影响,而控制第2步反应对降解过程影响很小.     

丙烷氧化制丙烯酸催化剂MoVTeNbO的两段焙烧

研究了不同焙烧方式和两段焙烧方式中不同焙烧温度对MoV0.3Te0.23Nb0.12Ox催化剂的结构及其在丙烷选择氧化制丙烯酸反应中催化性能的影响.结果表明,两段式焙烧方法促进了活性相M1相的生成和体相内较活泼晶格氧的产生,从而使催化剂性能显著提高.进一步的实验证明,两段式焙烧时两个不同阶段的焙烧温度对催化剂的结构和催化性能有重要影响.X射线衍射和程序升温还原等表征发现,催化剂的物相组成是一个对催化性能提高的尤为关键的因素,而较活泼品格氧的产生对催化剂的活性也有重要影响.     

正交设计法优化PEMFC催化层的最佳配比

利用正交实验设计法优选PEMFC电极催化层制备的最佳条件.实验证实亲水电极(催化层中不含PTFE)性能优于疏水电极.在该工艺条件下,当Nafion的含量为1.4mg·cm-2,Pt含量为0.4mg·cm-2时,以常压的H2和空气分别作为燃料气和氧化剂,电池的最高功率可达到0.37W·cm-2.研究表明,提高Pt/C中的Pt含量将是提高催化剂性能的有效途径.     

质子交换膜燃料电池的水平衡

水平衡是制约质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能稳定的关键技术之一。本文针对以H2为燃料的PEMFC的水平衡,首先介绍了电池的工作原理及水迁移;通过实验,证明了电池失水、积水对电池性能及寿命的影响,说明了水平衡的重要性;从电池的组成结构及运行参数详细讨论了影响水平衡的主要因素;并对电池水平衡的管理方法作了讨论。     

静电纺丝制备质子交换膜燃料电池催化剂层综述

质子交换膜燃料电池催化剂层在成本、耐久性以及性能上的局限是制约燃料电池汽车商业化的瓶颈. 已有文献证明静电纺丝技术制备的纳米纤维催化剂层能提高催化剂利用率、增加三相界面和三相通道以及提高耐久性. 作者结合所在课题组的工作综述了静电纺丝技术制备质子交换膜燃料电池催化剂层的研究进展. 首先,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展历程,并从制备方式和结构两个方面对其进行分类和总结;接下来,从静电纺丝纳米纤维催化剂层的制备、物理特性表征、电化学性能分析及耐久性表征等方面进行了总结;最后,从三相界面、三相通道以及量产适用性的视点比较了三种结构的催化剂层,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展趋势,并梳理了静电纺丝法制备质子交换膜燃料电池催化剂层领域待研的问题.     

CeO2的富氧性能对质子交换膜燃料电池阴极的影响

应用溶胶法和浸渍法向质子交换膜燃料电池阴极Pt/C催化剂添加CeO2,透射电子显微镜(TEM)分析和循环伏安测试表明:对由上述两种方法制备的各含5%CeO2的Pt/C催化剂,其粒径、形态分布以及CeO2在催化剂表面的覆盖度都不相同.单电池测试结果发现,二氧化铈的富氧作用表现明显,在以溶胶法制得的CeO2-Pt/C催化剂中,3%CeO2含量的催化剂呈现最佳的性能,而由浸渍法制得的CeO2-Pt/C,则以1%CeO2含量的性能最好,但对比之下,不如溶胶法制备的含3%CeO2的催化剂.     

质子交换膜燃料电池模型研究进展

综述了质子交换膜燃料电池 (PEMFC)数学模型的研究进展 ,分析PEMFC中膜、催化层、扩散层和流场区域的传递现象和水、热管理的重要性 ,讨论了模型的维数、复杂性和求解方法 .提出了带有时间维数的PEMFC模型研究的实际应用意义     

Numerical simulation of a new water management for PEM fuel cell using magnet particles deposited in the cathode side catalyst layer

Cathode flooding caused by excessive liquid water is generally recognized as the primary reason for poor cell performance. Recently, when some magnet particles are deposited in the catalyst layer of a cathode and magnetized, the cell performance has been improved compared with that of non-magnetized case. Numerical simulation to explain this phenomenon shows (1) the repulsive Kelvin force caused by the magnet particles manages the liquid water flow in the porous electrode layer; (2) the saturation level of liquid water (s) near the catalyst interface decreases with increasing the residual magnetic flux density of the magnet particle (B_r); (3) the magnet particles improves the fuel cell performance by decreasing the value of s and making more pore space for oxygen gas, and the cell performance of a proton-exchange-membrane (PEM) fuel is improved in the current limited region.     

Pt纳米催化剂在质子交换膜燃料电池催化层中的尺寸效应研究

以XC-72碳黑为载体, H2[PtCl6]为前驱体, 采用浸渍还原法并结合后续高温处理, 制备出不同尺寸Pt颗粒(3～8 nm)的Pt/C催化剂. 在基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池的电化学电解池中, 对实际PEMFC催化层中燃料电池反应的Pt催化剂尺寸效应进行了研究. 结果表明, 在PEMFC催化层环境中, Pt/C纳米催化剂对氢氧化和氧还原反应均有显著的粒度尺寸效应. 随着Pt粒度减小, 氢氧化和氧还原反应的表面积活性均降低.     

Impact of Membrane Types and Catalyst Layers Composition on Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

Performance of a low temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is highly dependent on the kind of catalysts, catalyst supports, ionomer amount on the catalyst layers (CL), membrane types and operating conditions. In this work, we investigated the influence of membrane types and CL compositions on MEA performance. MEA performance increases under all practically relevant load conditions with reduction of the membrane thickness from 50 to 15 μm, however further decrease in membrane thickness from 15 to 10 μm leads to reduction in cell voltage at high current loads. A thick anode CL is found to be beneficial under wet operating conditions assuming more pore space is provided to accommodate liquid water, whereas under dry operating conditions, an intermediate thickness of the anode CL is beneficial. When studying the impact of catalyst layer thickness, too thin a catalyst layer again shows reduced performance due to increased ohmic resistance ruled out the performance of the MEAs which have identical Pt crystallite sizes on the cathode CLs i. e. the thinnest the cathode CL, the highest the voltage were achieved at a defined current load. Adaptation of the operating conditions is highly anticipated to achieve the highest MEA performance.     

Improvement of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) performance at low-humidity conditions by exposing anode in Ultraviolet light

External humidifying system is generally needed for the fully hydration of membrane and catalyst layer, but it is considered as a barrier to PEMFC all the time. In this study, ultraviolet (UV) light was served as external stimulus to increase the wettability of anode which consists of photo-sensitive hygroscopic materials titanium oxide (TiO₂). Under UV irradiation, water adsorbed on the photo-induced oxygen defects of TiO₂ and transformed into surface hydroxyl groups. The generated hydroxyl groups furthered the back diffusion and decreased the charge resistance, which improved the performance at the low-humidity condition. The problems on the introduction of excessive hygroscopic materials are avoided by the new method.     

采用Nafion粘结剂的PEMFC氧电极研究

研究了聚合物电解质燃料电池（PEMFC）中以Nation溶液取代PTFE乳液作粘结剂的效果．并对催化剂层内Nafion含量进行了优化，同时探讨了气体工作压力和离子交换膜的影响，实验发现：1．使用Nafion溶液后显著提高电池性能，Nafion含量为2mg·cm－2时性能技好；2．气体压力增大改善了电池位能；3．使用Nafion115膜的电池性能优于使用Nafion117膜的电池．要进一步提高电池性能，减小欧姆控制区的斜率是必要的．