中科院大连化物所质子交换膜燃料电池用抗CO电催化剂的研究

本文介绍了大连化学物理研究所燃料电池工程中心所研制的PtRu/C和PtRu-HxWOy/C两种抗CO催化剂的制备和表征结果,PtRu-HxWOy/C采用复合载体法制备.当以含CO的燃料操作时,所研制的抗CO催化剂制备电池的性能明显高于Pt/C制备的电池.开发了一种复合结构的抗CO电极,这种电极具有良好的抗CO能力.用这种结构的电极组装的5-kW电池组以甲醇重整气为燃料时表现出良好的性能.     

化学还原法制备铂及铂合金催化剂及其性能

采用混合水溶液浸渍,硼氢化钠还原的方法制备了微型直接甲醇燃料电池用电催化剂,包括碳载铂、碳载铂基合金电催化剂.XRD、SEM、EDX测试结果表明催化剂的粒度达纳米级,且分散性好、原子摩尔配比合理.将Pt/C、Pt合金/C分别作为电池的阴极和阳极电催化剂,通过电池的极化曲线和功率密度曲线筛选出最佳的催化剂组成.在室温下,甲醇浓度为2mol/L时,阴极采用30wt%Pt的Pt/C,阳极采用n(Pt)∶n(Ru)∶n(Ir)∶n(Mo) = 2∶1∶2∶3的PtRuIrMo/C电催化剂,其电池的性能最好.     

Fe掺杂对质子交换膜燃料电池Pt/C催化剂性能的影响

用铁作掺杂元素,通过液相均相沉淀-气/固高温还原两段反应方法制备了碳载Pt-Fe合金催化剂,比较了3种不同Fe含量催化剂的电催化性能.采用X射线衍射和X光电子能谱技术研究了Fe掺杂对Pt/C催化剂晶体结构及表面元素存在形态的影响.结果显示:Pt-Fe/C催化剂比单一Pt/C催化剂有更小的晶格参数,其中Fe元素可能的存在形态应为与铂结合的合金态,但不排除表面存在部分氧化态.单电池放电稳定性实验表明:在200 mA·cm-2电流密度下放电时电池电压基本稳定,其中Pt与Fe摩尔比为1∶1时电极催化效果相应较好,但大电流密度放电时电池电压下降比单一Pt/C催化剂电极的快,这说明Fe的加入能提高催化剂的电催化性能,但阴极表面氧原子浓度较大时,Fe可能发生氧化而使得电极稳定性受到影响.     

质子交换膜燃料电池用Pt-Ag-Co/C催化剂的耐久性研究

研究了两步法制备的质子交换膜燃料电池(PEMFC)用Pt-Ag-Co/C催化剂的耐久性。循环伏安曲线测试表明Pt-Ag-Co/C催化剂与商业Pt/C催化剂的电催化活性相当。通过对扫描500次的循环伏安曲线分析,计算出Pt/C和Pt-Ag-Co/C催化剂扫描前后电化学活性面积(ECA),进而研究了催化剂在PEMFC中的耐久性。结果表明,耐久性实验后Pt/C催化剂的ECA降低了87%;而Pt-Ag-Co/C催化剂仅降低了35%。研究表明微量Co的添加有效的提高了Pt-Ag/C催化剂的耐久性。     

RuPt双金属在催化加氢反应中的性能研究

采用溶剂热法制备了5%Pt/C、5%Ru/C和5%Ru95Pt5/C三种催化剂。对催化剂的形貌和活性组分分布进行了表征分析,分别研究了不同催化剂在苯乙炔或4-硝基酚加氢反应中的催化性能。结果表明,由于协同效应,双金属负载的催化剂5%Ru95Pt5/C比单金属催化剂具有更好的催化加氢性能。在苯乙炔加氢反应中,5%Ru95Pt5/C具有更高的选择性和优异的活性;在4-硝基酚的加氢中,5%Ru95Pt5/C的催化活性显著增加,且在循环5次后,仍保留了>99%的活性。     

某些铂催化剂晶粒、组分与脱氢反应关系的探讨

用电镜、氢吸附、TPD差热等手段研究Pt Pb Li/γ-Al_2O_3和Pt Sn Li/γ-Al_2O_3催化剂体系,采用流动反应系统考察其反应性能。结果发现活化后的催化剂经水蒸汽处理,加入第二组分Pb,用干氢还原均可改善Pt的分散度。第三组分Li的加入并非中和氧化铝的酸性,而是调节Pt的电子状态。Pt Sn络合法制备的催化剂由于加强Pt Sn的相互作用,反应性能明显改善。作者将测试结果和反应性能评价数据进行关联,并讨论和解释了若干机理。     

车载燃料电池用铂基催化剂的研究进展

能源危机和环境污染是车载燃料电池发展的主要驱动力。电催化剂的性能和成本是制约其实现商业化的关键因素之一。目前,车载燃料电池用催化剂主要是铂(Pt)基催化剂,文章对质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和甲酸燃料电池三种车载燃料电池用铂基催化剂的研究进行综述,并对其存在的问题进行了分析和讨论。     

改进多元醇法制备Pt/C催化剂及其性能表征

采用多元醇法和一种新的改进多元醇法制备了用于质子交换膜燃料电池的Pt/C催化剂,并对2种方法制备的催化剂进行了比较。后者是将Pt前驱体先负载至碳黑上,再加入多元醇还原,制备出了粒度分布均匀,分散性好的Pt/C催化剂。利用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)以及动态伏安法(CV)表征催化剂的微观组织形貌、物相组成以及电化学性能。研究结果表明,先还原后负载方式的多元醇法制备的Pt/C催化剂容易团聚。而先负载后还原方式制备的Pt/C催化剂则粒度分布均匀,分散性好,粒径大小在1.2～3.2 nm,电化学测试也表明,该Pt/C催化剂的质量电流密度为23.42 A/g,具有更高的催化活性。     

Ni掺杂的Pt/C碱性条件下电催化氧还原性能(英文)

采用溶胶法制备了用于阴离子膜直接甲醇燃料电池的Pt-Ni/C阴极电催化剂,用XRD、XPS和TEM对催化剂进行了表征,电位线性扫描伏安法测试电化学活性及抗甲醇性.结果表明,制备的Pt-Ni合金颗粒分布均匀,粒径为3～5 nm;掺杂Ni元素可显著增加Pt的催化活性和抗甲醇性,在相同碱性电解液中,不同原子比例Pt-Ni/C的催化剂以Pt50Ni50/C的活性最高,抗甲醇性相对Pt/C有显著提高,在0.1 mol/L KOH溶液中其最大电流密度达到106 mA/mg,氧电还原起始过电位比Pt/C的小50 mV.     

我国CCM型膜电极研究取得重大进展

膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件,直接影响电池输出性能和反应效率,开发低铂(Pt)担量、高反应效率的CCM(催化剂制备到膜上)型薄催化层膜电极是目前质子交换膜燃料电池开发的一个重要技术方向。在863计划电动汽车重大项目支持下,大连化物所承担的"下一代燃料电池系统研究与开发"课题目前取得重大突破和阶段性成果。     

Optimum content of Nafion ionomer for the fabrication of MEAs in PEMFCs with spray-coated Pt/CNT electrodes

To enhance the performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a Pt catalyst was supported on carbon nanotubes (CNTs) and the optimum content of Nafion ionomer in the Pt/CNT electrode was examined by cell performance tests, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy. The amount of the Pt catalyst supported on the CNTs was 34 wt.%. The Nafion content significantly changed the protonic and electronic conductivities as well as the mass transfer properties. As such, the performance of the cell was highly dependent on the content of Nafion ionomer. The results of the cell performance tests revealed that the optimum content of Nafion ionomer in the Pt/CNT electrode was about 20 wt.%.     

燃料电池膜电极中铂担载量测试方法研究

膜电极(MEA)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的能量转换单元，在催化剂作用下将化学能转化为电能。铂基催化剂目前仍是商用PEMFC不可替代的催化剂，其中膜电极中铂担载量已成为PEMFC性能评价的一项重要指标。通过对现有PEMFC膜电极铂担载量测试国标方法进行了改进，并研究了PEMFC膜电极铂担载量测试的微波消解前处理方法。与国标方法相比，微波消解-ICP-MS法测定结果的准确性与标准方法相当，测试效率明显提高。     

碳载铂纳米微粒修饰的玻碳电极对甲醇的电催化氧化

利用X射线粉末衍射、透射电镜和扫描电镜对商用Pt/C催化剂反应前后的变化进行了物化表征，同时应用电化学方法研究了甲醇在碳载铂纳米微粒修饰的玻碳电极上的电催化氧化性能。结果表明，修饰电极对甲醇氧化呈现较高的电催化活性。铂氧化物的电化学还原在Pt/c催化剂中受到了抑制，该现象可能是由于Pt与载体碳间的强烈作用所引起的。通过扫描电镜和循环伏安研究表明，该催化剂对甲醇的氧化可能存在着表面结构敏感效应。     

PtPb/ C 催化剂的制备及其对甲酸电氧化的催化性能

目的通过Pb元素的添加来提高Pt/C催化剂电催化氧化甲酸的性能。方法通过乙二醇协助硼氢化钠还原法,以氯铂酸为Pt源和硝酸铅为Pb源制备不同原子比的PtxPb/C催化剂。采用X射线衍射光谱法(XRD)和透射电子显微镜技术(TEM)表征样品的晶体结构和颗粒形貌;采用循环伏安法表征样品催化氧化甲酸的性能。结果利用乙二醇协助硼氢化钠还原法成功制得了Pt和Pb原子比不同的PtxPb/C催化剂,XRD和TEM测试结果表明这些样品均为Pt的面心立方结构,且颗粒大小均一、分散均匀,其平均粒径为4 nm左右。循环伏安测试结果表明PtxPb/C催化剂催化氧化甲酸的性能优于商业Pt/C催化剂的催化性能,且受Pt和Pb原子比的影响,当原子比为5∶1时,其对氧化甲酸的催化性能最好,峰电位对应的Pt的比质量活性达到2000 m A/(mg Pt),远远高于商业Pt/C,同时计时电流曲线表明其具备良好的稳定性。结论 Pb原子的加入影响了Pt原子的电子结构,与Pb对Pt的协同作用共同促进了CO等中间产物在Pt表面的快速氧化,降低了催化氧化甲酸的初始电位,促使甲酸在低电位直接氧化为CO2和H2O,提高了其催化氧化甲酸的峰电流,有效减轻了Pt中毒,提高了其催化活性。     

喷雾干燥法制备碳载铂钴镍合金催化剂及其甲醇催化氧化性能研究

本文以氯铂酸、氯化镍和硝酸钴为原料,XC-72炭黑为载体,通过雾化干燥法结合煅烧还原制备碳载铂基（PtCo Ni）分散性好的多元合金纳米粒子催化剂。重点研究表面经过改性的炭黑对合金纳米粒子形成和分散的影响规律,研究碳载PtCoNi（原子比为1:1:1）合金纳米粒子的甲醇催化氧化活性、抗CO中毒能力和耐久性,以及不同原子比对催化氧化甲醇活性和抗CO中毒能力的影响规律。研究结果表明,采用表面改性后的炭黑作为载体,制备的碳载铂基（PtCoNi）催化剂为合金纳米粒子,且纳米粒子在炭黑表面分散均匀,粒径分布在1-4nm,平均粒径为2.3nm;与商用的Pt/C催化剂相比,PtCoNi/C（原子比为1:1:1）催化剂具有更高的甲醇催化氧化活性、耐久性和抗CO中毒性;不同原子比铂基多元催化剂在催化氧化甲醇活性上的顺序为：PtCoNi/C>Pt3CoNi/C>Pt5CoNi/C,抗CO中毒性顺序为：PtCoNi/C>Pt3CoNi/C>Pt5CoNi/C。     

PEMFC用Pt-Co/C催化剂的制备及性能

用液相沉积-高温合金化法制备了铂基合金催化剂,EDS、XRD的研究结果表明催化剂具有面心立方的结构,粒度小、分散性好,同时元素Co的加入使催化剂的Pt-Pt间距缩小。该催化剂的质子交换膜燃料电池伏安曲线表明,Pt-Co／C催化剂的性能优越,具有比纯铂更强的电催化能力,文中讨论了Co对催化剂活性的强化作用。     

载体中ZrO2/Al2O3比对Pt/ZrO2-Al2O3催化剂性能的影响

相比汽油车而言,柴油车具有高效、低油耗的优势已得到广泛应用。本实验以ZrO₂作为改性剂,探究了ZrO₂与Al₂O₃的质量比对催化剂的影响。研究结果表明：随着ZrO₂的加入,Pt粒子先减小后增大;Pt粒子与载体的交互作用先增大后减小。活性实验数据分析表明,ZrO₂的最佳添加量为40 wt%,CO和C₃H₆完全氧化温度分别降低20 _oC 、25 _oC。贵金属在催化剂的分散度以及贵金属与载体的相互作用随着ZrO₂与Al₂O₃质量比的变化而变化。Pt粒子越小,其与载体的交互作用越强,这表明催化剂性能越强。