具有优异甲醇耐受性的Rh掺杂PdCu有序金属间化合物纳米粒子增强氧还原电催化

Direct methanol fuel cells (DMFCs), as one of the important energy conversion devices, are of great interest in the fields of energy, catalysis and materials. However, the application of DMFCs is presently challenged because of the limited activity and durability of cathode catalysts as well as the poisoning issues caused by methanol permeation to the cathode during operation. Herein, we report a new class of Rh-doped PdCu nanoparticles (NPs) with ordered intermetallic structure for enhancing the activity and durability of the cathode for oxygen reduction reaction (ORR) and achieving superior methanol tolerance. The disordered Rh-doped PdCu NPs can be prepared via a simple wet-chemical method, followed by annealing to convert it to ordered phases. The results of transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), power X-ray diffraction (PXRD) analysis and high resolution TEM (HRTEM) successfully demonstrate the formation of near-spherical NPs with an average size of 6.5 ± 0.5 nm and the conversion of the phase structure. The complete phase transition temperatures of Rh-doped PdCu NPs and PdCu are 500 and 400 ℃, respectively. The molar ratio of Rh/Pd/Cu in the as-synthesized Rh-doped PdCu NPs is 5/48/47. Benefitting from Rh doping and the presence of the ordered intermetallic structure, the Rh-doped PdCu intermetallic electrocatalyst achieves the maximum ORR mass activity of 0.96 A·mg^-1 at 0.9 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) under alkaline conditions—a 7.4-fold enhancement compared to the commercial Pt/C catalyst. For different electrocatalysts, the ORR activities follow the sequence, ordered Rh-doped PdCu intermetallics > ordered PdCu intermetallics > disordered Rh-doped PdCu NPs > disordered PdCu NPs > commercial Pt/C catalyst. In addition, the distinct structure endows the Rh-doped PdCu intermetallics with highly stable ORR durability with unaltered half-wave potential (E_1/2) and mass activity after continuous 20000 cycles, which are higher than those of other electrocatalysts. Furthermore, the E_1/2 of the Rh-doped PdCu intermetallics decreases by only 5 mV after adding 0.5 mol·L^-1 methanol to the electrolyte, while the commercial Pt/C catalyst negatively shifts by 235 mV and a distinct oxidation peak can be observed. The results indicate that the ORR activity of the Rh-doped PdCu intermetallic electrocatalyst can be well maintained even in the presence of poisoning environment. Our results have demonstrated that Rh-doped PdCu NPs with ordered intermetallic structures is a potential electrocatalyst toward the next-generation high-performance DMFCs.     

快速扫描量热法研究聚对苯二甲酸-1,4-环己烷二甲醇酯的结晶和熔融行为

采用快速扫描量热法(FSC)结合传统的差示扫描量热仪(DSC)考察了聚对苯二甲酸-1,4-环己烷二甲醇酯(PCT)聚酯在接近玻璃化转变(T_g)和熔融温度(T_m)范围(100~270 ℃)的结晶和熔融行为。 较大过冷度时PCT聚酯结晶较快,FSC有效地抑制降温过程结晶的发生,而较低过冷度下传统DSC可以避免样品降解对实验结果的影响,二者的结合能很好地对PCT聚酯结晶动力学进行测量,实验结果表明在175 ℃时结晶速率最快。 并且利用Flash DSC对等温结晶温度下形成的片晶熔点进行加热速率的相关测量,在熔融动力学建模的基础上进行校准,以确定零加热速率下片晶的熔点。 Hoffman-Weeks方程中T_m与结晶温度(T_c)的线性关系与T_c=T_m的交点给出了PCT晶体的平衡熔融温度$T_m^o$为315 ℃。     

光催化甲烷转化研究进展

甲烷催化转化为高附加值产物、实现甲烷高效利用,具有重要的研究意义及工业应用价值。长期以来,如何在较温和的条件下将甲烷转化为其它更有价值的有机衍生物,如醇、芳烃、长链烷烃和烯烃等,是催化、化学及化工领域的热点和难点课题之一。光催化反应由光能激发产生光生电子和空穴,参与到甲烷C―H键活化和自由基形成,这为低温甲烷转化提供新的途径,本文主要围绕甲烷氧化和偶联反应,总结了近年来光催化研究进展,并对如何进一步提高光催化性能提出展望。     

Ag3PO4量子点/石墨相氮化碳纳米片复合光催化剂的制备及其对苯甲醇选择性氧化活性

以热氧化剥离法得到的超薄石墨相氮化碳(g-C₃N₄)纳米片为载体,首次在室温条件下,制备了系列Ag₃PO₄量子点/g-C₃N₄纳米片复合光催化剂;通过透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL),对复合光催化剂的形貌、结构和光学性质进行了表征,考察了系列光催化剂对苯甲醇的光催化选择性氧化性能。 结果表明,粒径为3~5 nm Ag₃PO₄颗粒均匀分散g-C₃N₄纳米片上,结晶度良好。 以乙腈为溶剂时,当m(Ag₃PO₄)/m(g-C₃N₄)=0.6时,苯甲醇具有32.1%的最大转化率,对产物苯甲醛具有90%的最高选择性;活性物种捕捉实验结果表明,该催化氧化反应的主要活性物是光生空穴的氧化作用,能带计算结果表明,该复合催化剂结构具有合适的苯甲醇的氧化电位而选择性生成苯甲醛。     

太阳能甲醇分解吸收-反应器研制与实验研究

利用中温太阳能为甲醇分解的吸热反应供热,可以将中温太阳能转化为合成气燃料的化学能,同时提高燃料热值和太阳能的可用性,还可以实现太阳能与化石燃料的互补.本研究提出了太阳能热化学系统的一体化设计原则,建立了综合考虑太阳能集热、反应动力学和反应器结构参数的太阳能甲醇分解反应器的理论分析模型,并首次研制了5 kW热功率的抛物槽式太阳能甲醇分解一体化实验装置.太阳能甲醇分解的实验结果表明太阳能集热器可以为甲醇分解提供200～300 ℃的反应温度,在辐照300～800 W/m2,甲醇进料量为0.5～4l/h条件下,甲醇转化率可以达到50%～95%,投射到吸收-反应器上的太阳能转换为燃料化学能的效率可以达到30%～60%,具有良好的甲醇分解和太阳能转换性能.研制的实验装置体现了一体化设计特征,同时理论分析结果与实验结果也具有很好的一致性.本文研究成果将为开拓太阳能与化石能源互补的能量系统提供理论支撑和实验数据.     

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.     

酒精混合液的超低频拉曼光谱研究

酒精中低浓度甲醇和乙醇的精准检测是十分重要的。低频拉曼散射是研究液相分子间相互作用最有效的方法之一。本文采用新型超低频拉曼光谱,对不同浓度的乙醇以及乙醇-甲醇混合液进行研究。实验发现,不同浓度下乙醇溶液在78 cm^-1和170 cm^-1存在两个特征峰,不同浓度下乙醇-甲醇混合液在85 cm^-1和178 cm^-1存在两个特征峰。其中,78 cm^-1特征峰是由于OH-O伸缩振动引起的,178 cm^-1特征峰是由于OH-O面内弯曲振动引起的,85 cm^-1和170 cm^-1两个峰是由C-OH的伸缩振动引起的。同时,我们发现了以上超低频特征峰频率与乙醇以及乙醇-甲醇混合液浓度的依赖关系,能够为较低浓度的乙醇和甲醇溶液精确指认提供可借鉴的实验思路和依据。     

直接甲醇燃料电池中的涉水传递现象及数值模拟

直接甲醇燃料电池（DMFC）的开发设计日渐成为燃料电池领域的研究热点。利用数学模型对内部传递现象进行数值模拟,不仅具有很强的理论意义,而且对结构设计和操作条件优化有很强的指导意义。本文基于两相流模型和CFD（computer fluid dynamics）技术的应用,综述了电池内部绝大多数的传递过程,特别是近些年开发的电池内部与水相关的传递过程的物理模型和数学模型,并以二者的相互联系加以组织。这些模型思想综合考虑了微观传递机理,描述了电池内复杂的传递现象并提供了相应的数值模拟方法和模型验证方法。这些方法能够加深人们对电池内部传质现象的理解,而其实用意义在于能够指导设计和优化电池结构、提高电池的体积和重量比能量密度和缩短开发周期和大幅度降低开发成本。     

反胶束法制备直接甲醇燃料电池Pt-Sn/C催化剂及其表征

在水/AOT/环己烷反胶束体系中, 制备了Pt-Sn/C催化剂, 研究了不同ω (反胶束溶液中水与表面活性剂的物质量之比)值对Pt-Sn粒径的影响. 并采用TEM, XRD, XPS, 循环伏安等技术对其进行表征. TEM结果表明合成的Pt-Sn纳米颗粒为球形, 在碳载体表面均匀分布, 粒径分布窄, 平均粒径为2.7 nm. Pt-Sn颗粒尺寸随着ω的增加而增大. XRD结果表明该催化剂中Pt具有面心立方结构且没有与Sn形成合金. XPS结果表明在该催化剂中, Pt主要以零价态存在. 在甲醇溶液中的循环伏安扫描结果表明, 甲醇氧化峰电位和峰电流随着ω的增加而减小, 说明反胶束方法可以通过控制颗粒尺寸, 从而影响催化剂的电氧化活性. 相对于商用Pt-Ru/Vulcan XC-72 (20 wt%, E-TEK公司), 该催化剂具有较低的峰电势以及较高的I_f/I_b (循环伏安曲线中正向扫描峰电流与反向扫描峰电流的比值), 这表明用此方法制备的Pt-Sn/C催化剂具有较好的抗中毒能力.     

紫外激光多光子电离下甲醇团簇中的反应

应用Nd：YAG脉冲激光器输出的355nm紫外激光实现了对甲醇的多光子电离,通过质谱技术观测到了两个质子化圃簇离子系列：（CH3OH）nH^＋（n=1—15）和（CH3OH）n（H2O）H^＋（n=7—15）,结合在HF／STO-3G和B3LYP／6—31G＋＋水平上的从头计算对其反应通道做了分析,发现其产生经过了团簇内部的质子转移反应。且质子主要来自于羟基上的氢离子。并分析了（CH3OH）nH^＋系列的结构,给出了幻数团簇（CH3OH）3H^＋的构型。同时对（CH3OH）n（H2O）H^＋系列只在n≥7时出现做了相应的解释。