PtRu/氮掺杂碳电催化甲醇氧化及电解水析氢性能

将三聚氰胺、RuCl₃及炭黑以一定的比例分散于乙醇中,采用旋转蒸干及高温热处理合成了一种氮掺杂碳(NC)负载Ru的Ru/NC 催化剂。采用硼氢化钠液相化学还原法合成了不同 Pt、Ru 负载量的 PtRu/NC 催化剂,并用于电催化甲醇氧化反应(MOR)及电催化分解水析氢反应(HER)。结果表明,合成的催化剂中 Pt₁Ru/NC(Pt、Ru的实际负载量分别为 1.14%、0.54%)表现出最优的MOR性能,质量活性达4.96 A·mg^-1_PtRu,且经10 000 s稳定性测试后质量活性保持在测试前的91.1%。同时,当电流密度为100 mA·cm^-2时,Pt₁Ru/NC在HER中表现出最低的过电位(103 mV)和最小的Tafel斜率(15.29 mV·dec^-1)。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP‐OES)、STEM‐能谱(STEM‐EDS)技术PtRu/NC双金属催化剂,其具有优异催化性能的原因如下：(1) PtRu双金属纳米颗粒高度分散于NC上;(2) Pt以纳米团簇或单原子形式负载于Ru上,后负载于NC,形成了Pt‐Ru相分离结构;(3) Pt、Ru与N之间存在协同效应。     

制备条件对甲醇电氧化催化剂PtRu/CAs性能的影响

本文利用液相浸渍还原的方法制备了PtRu/C催化剂, 其中Pt质量百分含量分别为15%, Pt和Ru的原子比为2:1. 研究了金属前驱体于不同介质（CH3COOH、H2O及CH3COONa）中浸渍所制备的催化剂组成, 结构以及活性方面的区别. 同时比较分析了不同载体（碳纳米管CNTs与碳气凝胶CAs）对催化剂性能的影响. 催化剂的物化性质通过XRD, TEM以及EDS来表征, 并采用循环伏安法测试其电化学性能. 结果表明以碳气凝胶为载体,均匀分散于异丙醇与水混合溶液后, 加入CH3COOH, 使金属前驱体在酸性介质中浸渍, 再用NaOH调节pH值至碱性, 同时生成CH3COONa作为稳定剂, 然后再用NaBH4还原所制得的催化剂具有更高的电催化活性, 其峰电流密度达到38.24 mA/cm2, 远高于本文中在其他条件下制备的催化剂.     

磷化镍/氮硫双掺杂石墨烯复合材料的制备及电催化析氢性能

采用水热法合成了具有高活性的磷化镍纳米晶(Ni₂P), 并合成了氮、 硫共掺杂石墨烯负载磷化镍纳米催化剂(Ni₂P/NSRGO). 对该催化剂的结构和形貌进行了表征, 并研究其电催化析氢性能. 电化学测试结果表明, Ni₂P/NSRGO复合电催化剂的析氢性能优于Ni₂P/RGO催化剂, 具有较小的Tafel斜率(35 mV/dec)、 较低的过电位(η₁₀=140 mV)和良好的稳定性.     

高分散PtRu/C催化剂的制备及对甲醇及吸附态CO的电催化氧化

采用化学还原浸渍法在两种不同条件下制备炭载PtRu催化剂,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,运用循环伏安法、线性扫描法来检测不同条件下制备的催化剂对甲醇及吸附态CO(COad)电催化氧化活性的影响.结果表明,不同条件下制备的催化剂Pt和Ru形成合金的程度不同,Pt-Ru合金原子的颗粒在载体炭上的粒径大小和分布不同,导致催化剂对甲醇及COad的电氧化催化活性不同.其中以甲醛为还原剂在乙二醇体系中制备的催化剂PtRu/C-2能形成较好的合金状态,粒径小,分布均匀,对甲醇及COad的氧化具有较高的电催化活性.     

高分散超薄二硫化钼/硫、氮共掺碳复合材料的电催化析氢性能

氢气是一种清洁可再生能源,有望在未来替代化石燃料成为最主要的能源物质.电催化析氢技术是最有效的产氢途径之一.目前,电催化析氢催化剂主要是贵金属铂,由于其昂贵的价格限制了它的大规模应用.所以在不减少催化剂活性的前提下尽量减少贵金属的使用或者寻找替代物质,降低成本是工业化大规模使用析氢反应(HER)催化剂的前提.二硫化钼基催化剂因其价格低廉、资源丰富且具有优异的催化析氢性能而引起研究者的广泛关注.实验和理论研究都证明了二硫化钼的催化性能和其催化活性位点有关.所以,开发一种具有丰富的活性位点、良好的导电性的二硫化钼基催化剂可以获得高的产氢性能和良好的稳定性.因此,对于提高MoS2的电催化析氢性能的研究主要集中于增加MoS2暴露活性位点的个数和导电性.然而,二硫化钼层与层之间的相互作用可能导致其发生聚集,较低的导电率都有可能降低它的电催化活性.我们通过水热的方法直接制备出了固体的硫、氮共掺杂的、具有石墨化结构的碳复合材料(SNC).将钼酸钠加入到反应中后,多钼酸盐通过化学交互作用均匀地嵌入、分散到SNC中.经高温处理后,SNC放出S2-,多钼酸盐结合S2-生成二硫化钼.SNC有效地防止了二硫化钼聚集成大的颗粒.我们成功地制备出具有较好析氢性能的、高度分散于SNC中的二硫化钼纳米片.通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、元素分析、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对材料进行了表征,通过电催化析氢、电化学阻抗以及稳定性测试等手段研究了其电催化性能.由MoS2/SNC-900-12h的TEM图片可以看出,二硫化钼纳米片高度分散于碳复合材料中,且层数只有一到几层,暴露出了更多的催化活性位点.拉曼光谱图的D带(1341 cm-1)和G带(1584 cm-1)体现出了材料具有较好的石墨化结构,提高了材料的导电性.XPS C 1s谱图中存在C–S和C–N键,S 2p谱图中存在C–S–C、C=S和C–SOx–C键,N 1s谱图中存在吡啶氮和石墨氮,结合元素分析,说明该碳材料确为硫氮共掺杂的碳;Mo谱测试显示出Mo 3d5/2(229.4 eV)和Mo 3d3/2(232.6 eV),证明了二硫化钼成功地嵌入到了碳材料中.电化学性能表征显示MoS2/SNC-900-12h在H2SO4溶液(0.5 mol/L)中展现出较低的起始电位(115 mV)以及低的过电位(237 mV).电化学阻抗测试显示在H2SO4溶液(0.5 mol/L)中过电位为?0.2 V(vs.RHE)时Rct只有124Ω.此外,在?0.3–0 V(vs.RHE)下,经5000圈稳定性测试后性能只有约2.6%(10 mA/cm2)的衰减,说明MoS2/SNC-900-12h同样具有优异的电化学稳定性.     

氮掺杂碳材料负载碳化钼的合成及析氢性能研究

过渡金属碳化物被认为是一类可替代贵金属的高效电催化析~*氢反应催化剂,提升其催化性能和稳定性能获得了广泛关注和研究。本文以钼酸铵和二氰二胺为前驱体,均匀混合后利用一步高温退火法制备了氮掺杂碳材料负载碳化钼(Mo_2C-NC)的复合材料。通过透射电子显微镜,X射线粉末衍射以及X射线光电子能谱等测试对该催化剂形貌,组成及结构进行表征。电化学测试结果表明,Mo_2C-CN复合催化剂表现了优异的电催化析氢性能:当电流密度为10 mA cm~(-2)时,在酸性和碱性体系中,Mo_2C-CN催化剂的过电势分别为和130和257 mV s~(-1),并且均展示出了优异的稳定性能。     

热处理对甲醇电氧化催化剂PtRu/C性能的影响

采用非离子表面活性剂Triton X-100作为稳定剂制备了催化甲醇电氧化反应的PtRu/C催化剂, 研究了热处理温度对催化剂的组成、结构、形貌和活性的影响. 利用循环伏安法研究了PtRu/C催化剂催化甲醇电氧化的活性, 用热重和差热分析(TG-DTA)、X射线能量色散谱(EDX)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)对PtRu/C催化剂进行了表征. 研究结果表明, 热处理对PtRu/C催化剂粒子的大小、分布和Pt的氧化态有重要的作用. 在350 ℃下热处理的催化剂显示了最好的催化甲醇电氧化的性能, 由Triton X-100作为稳定剂制备的PtRu/C催化剂最适宜的热处理温度是350 ℃.     

氮掺杂超薄碳纳米片复合铂钌单原子合金催化剂的电化学析氢性能

为了减少贵金属的用量, 降低成本, 提高大规模生产的可能性, 构建单原子合金(SAA)是一个非常可行的解决方案. 设计了一种超小PtRu单原子合金物种均匀分散在掺氮超薄碳纳米片上的电催化剂(PtRu SAA/NC), 并通过基于同步辐射的X射线吸收精细结构(XAFS)光谱进行了结构确认. 与纯Ru团簇和氮掺杂的碳片相比, PtRu SAA/NC具有更高的析氢反应(HER)催化活性和特殊的稳定性, 在0.5 mol/L H₂SO₄溶液中进行HER时, 表现出较小的Tafel斜率(43 mV/dec), 且在10 mA/cm²电流密度下过电位仅为54 mV.     

直接甲醇燃料电池阳极催化剂PtRu/MWCNTs的水热合成及其电催化行为

采用水热法合成了PtRu/MWCNTs阳极催化剂,并以循环伏安、线性扫描、计时电流和交流阻抗等电化学测试研究了其对甲醇的电催化氧化,结果表明,水热合成的PtRu/MWCNTs较之同样条件下合成的PtRu/Vu lcan XC-72有更好的对甲醇氧化的催化活性和更强的抗毒化能力。     

PtRu/C催化剂上甲醇电氧化的电化学阻抗谱

利用电化学阻抗谱(EIS)研究了甲醇在不同电化学极化处理后的PtRu/C催化剂上的电氧化动力学参数.通过交流阻抗理论的分析,从理论上研究了不同电势区间(低、中、高)内反应中间产物的表面覆盖率随电极电势的变化规律以及对反应法拉第电流的影响,较好地解释了甲醇电氧化实验中的动力学规律在低电势区,甲醇分子脱除第一个氢原子的基元反应,即第一个电子的传递反应为速率控制步骤,而在高电势区,反应中间产物COads的氧化脱除则为速率控制步骤.     

碱性介质中铂/碳气凝胶电催化氧化甲醇

以间苯二酚和甲醛为原料,采用溶胶-凝胶法制备了碳气凝胶(CAs);以CAs为载体,利用乙二醇还原法制备了Pt/CAs催化剂;在碱性条件下,采用循环伏安法测定了Pt/CAs催化剂电催化氧化甲醇的活性,结果表明,Pt/CAs显示出高的甲醇氧化催化活性,在1.0mol.L-1 NaOH和1.0mol.L-1 CH3OH溶液中,其峰电流密度是商品Vulcan XC-72R负载Pt催化剂Pt/C的3.9倍,甲醇起始氧化电位比Pt/C的负移约100mV.     

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.     

Effect of third metal on the electrocatalytic activity of PtRu/Vulcan for methanol electro-oxidation

The effect of a third metal on the activity of PtRu/Vulcan toward methanol oxidation reaction (MOR) is studied. An efficient method to prepare ternary catalysts was used, which allows the introduction of the third metal to PtRu/Vulcan without altering its particle size or dispersion. Ni, Mo, Co, and Ir were chosen and added to PtRu/Vulcan, based on theoretical and experimental literature results, anticipating enhancement in the catalytic activity of PtRu/Vulcan. The composition of the third metal can be varied from trace to considerable amounts. Transmission electron microscopy and energy-dispersive X-ray analysis were used to determine the particle size, dispersion, and the composition of the ternary catalysts. Cylic voltammetry, chronoamperometry, and CO-stripping voltammetry were used to analyze and compare the activities of the catalysts at 25 °C. It has been found that the addition of even trace amounts of third metal significantly affects the catalytic activity of PtRu toward MOR.     

Preparation of glass carbon electrode modified with nanocrystalline nickel-decorated carbon nanotubes and electrocatalytic oxidation of methanol in alkaline solution

Nanocrystalline nickel with an average diameter of about 16 nm and a face-centered cubic (fcc) structure was uniformly attached to the surface of carbon nanotubes (CNT) by wet chemistry. The sample was characterized by X-ray powder diffraction and transmission electron microscopy (TEM). A glass carbon electrode modified with nickel-modified multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs-Ni/GCE) was prepared. The electrochemical behavior of the MWCNTs-Ni/GCE and the electrocatalytic oxidation of methanol at the MWCNTs-Ni/GCE were investigated by cyclic voltammetry in 1.0 mol/L NaOH solution. The cyclic voltammograms showed that the electron transfer between β-Ni(OH)₂ and β-NiOOH is mainly a diffusion-controlled quasireversible process, and that the electrode has high catalytic activity for the electrooxidation of methanol in alkaline medium, revealing its potential application in alkaline rechargeable batteries and fuel cells. __________ Translated from Chinese Journal of Applied Chemistry, 2007, 24(5): 503–506 [译自: 应用化学]     

碳纳米纤维负载铁钴镍硼化物可控制备及其电催化析氢性能研究

通过乙醇催化燃烧法制备了碳纳米纤维（CNFs），采用化学沉积法在CNFs载体上负载铁钴镍硼化物（FeCoNiB），并以多种测试手段对其表征，研究了化学沉积工艺条件对FeCoNiB粒径、分散、成分及结构的影响，建立了碳纳米纤维负载的铁钴镍硼化物（FeCoNiB/CNFs）可控制备方法。采用电化学测试手段研究了FeCoNiB/CNFs在碱性环境下的氢气析出反应（HER）催化性能。结果表明，在100 mA/cm²的电流密度下，FeCoNiB/CNFs的过电位仅为366 mV，塔菲尔斜率低至41 mV/dec；在持续10 h的稳定性测试中电位衰减幅度很小，基本保持不变。这说明FeCoNiB/CNFs制备成本低，但其高稳定性可媲美贵金属的高催化活性HER催化剂；该研究可为非贵金属HER催化剂的研制及低成本电解水制氢技术的规模化应用提供参考。     

可持续固相合成高分散PdAg合金纳米颗粒用于电催化氢氧化和氢析出反应

固相研磨作为一种新型可持续的合成方法,近年来引起了人们广泛关注,为负载型金属合金纳米催化剂的制备提供了新思路.尽管有关合金催化剂研究取得了系列进展,但现有制备方法大多存在操作步骤复杂、形貌难以控制等问题,严重制约了合金催化剂的规模化应用.本文发展了一种可持续化策略,即于室温下在玛瑙研钵中直接研磨合成了一系列高分散在碳载体上的小尺寸PdAg合金纳米颗粒(PdAg/C).此法无需任何溶剂和有机试剂,保证了整个过程简单便捷、绿色环保,同时确保了PdAg合金纳米颗粒表面清洁无污染,利于样品的催化应用.利用TEM,XRD和XPS表征技术对系列PdAg/C样品的组成及形貌进行了深入探究.TEM结果表明,所得催化剂中金属颗粒尺寸较小(4.9±1.03 nm),且高度分散在碳载体表面.XRD结果表明,Pd9Ag1/C,Pd5Ag5/C和Pd1Ag9/C催化剂特征衍射峰位于对应的Pd/C和Ag/C衍射峰之间,且会随着Ag含量的不断增加逐渐向低角度偏移.XPS结果表明,三个催化剂中均存在Pd,Ag两种元素,且随着Ag含量的增加,它们的Pd 3d结合能逐渐正移;而随着Pd含量的不断增加,三样品的Ag 3d结合能逐渐负向偏移.由此可见,采用可持续固相合成法成功制得了碳负载的PdAg合金纳米颗粒.一系列对比实验表明,PdAg合金纳米颗粒的尺寸和分散度显著依赖于NaOH,而与碳载体的形貌、比表面积和类型无明显关系.将系列PdAg/C样品用于碱性电催化氢氧化(HOR)和析氢反应(HER)时,均展现出高的催化性能.其中,Pd9Ag1/C催化性能最佳,在HOR中,质量交换电流密度和面积交换电流密度分别为26.5 A gPd^–1和0.033 mA cmPd^–2;在HER中,电流密度为10 mA cm^–2时所需过电位仅为68 mV;此外,Pd9Ag1/C催化剂经过1000圈CV循环测试后,催化活性未显著衰减,对两个目标反应均展现出优异的电化学稳定性.PdAg/C高催化活性主要归因于两个方面:(1)PdAg合金纳米颗粒表面洁净、尺寸小且分散均匀,能提供大量可利用的活性位点;(2)Pd与Ag之间强的协同与合金效应使得催化剂具有最佳的本征活性.