基于Pt/CNTs催化剂的燃料电池Pt/Buckypaper催化层的制备与表征

为了提高质子交换膜燃料电池催化剂中贵金属的利用率,以碳纳米管(CNTs)负载Pt为催化剂,设计制备了具有催化剂梯度分布结构的Pt/buckypaper催化层。利用扫描电子显微镜等多种表征手段,观察与分析了催化剂和催化层的结构及Pt含量分布,并考察了它们的电化学性能。结果表明,Pt/CNTs催化剂中Pt颗粒在超声混酸氧化处理过的CNTs表面上分布均匀,平均直径为2.4nm。其电化学活性表面积(ECSA)接近于商用Pt/C催化剂的值,比质量活性(MA)则远高于商用催化剂,且具备更为优异的电化学循环稳定性。利用这种催化剂制备的Pt/buckypaper催化层保持着较大的ECSA,表明其中的Pt颗粒具有较高的利用率,体现了这种新颖结构的独特优势。     

铁氮掺杂活性炭载体增强碳载铂基催化剂氧还原反应稳定性EI北大核心CSCD

修饰和改良载体是改善质子交换膜燃料电池阴极铂基催化剂性能的主要途径。以铁氮(FeN)掺杂活性炭(Black Pearl 2000,BP)为载体,获得负载型铂基催化剂。使用电化学方法对催化剂的氧还原反应活性以及稳定性进行测试,采用X射线衍射仪、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等分析手段对载体及催化剂结构进行表征。结果表明:Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位均为0.94 V,具有相当的氧还原反应初始活性;老化测试后,Pt/FeN-BP催化剂与商业Pt/C催化剂的起始电位损失分别约为10,30 mV,半波电位损失分别约为5,60 mV,Pt/FeN-BP催化剂的稳定性明显优于商业Pt/C催化剂。这是因为,铁氮掺杂碳载体具有适中的比表面积和孔径大小,Pt颗粒在载体上以小粒径的状态存在且老化测试后Pt颗粒无团聚现象,以及载体与Pt颗粒之间可能存在一定的相互作用。     

铁系元素掺杂的Pt基疏水催化剂的制备及活性研究

以炭黑为载体、乙二醇为溶剂, 利用高压微波加热法分别制备了铁系元素(即Fe、Co、Ni三种元素)掺杂的Pt基二元催化剂. 采用TEM、XRD、EDX、XPS等手段分析了催化剂的微观结构. 活性金属粒子在炭黑载体表面分布均匀; Fe、Co、Ni掺杂后, 催化剂中活性金属粒子的粒径分布变窄, 平均粒径明显减小(由4.57nm分别降低至2.17、2.41、2.55nm); 催化剂中Pt存在Pt(0)、Pt(II)、Pt(IV)三种价态. 将催化剂分散于聚四氟乙烯乳液中, 采用自然浸渍法负载于泡沫镍, 制得Pt基疏水催化剂, 考查了其对氢-水液相交换反应的催化活性. 与单一Pt基疏水催化剂相比, 过渡金属掺杂后的二元疏水催化剂对氢-水液相交换反应的催化活性明显提高. 其催化活性由高到低依次为: PtFe/C/FN>PtCo/C/FN>PtNi/C/FN>Pt/C/FN. 催化活性的提高可能主要来源于催化剂活性金属粒径的减小. 此外, H₂O分子在Fe系元素表面的解离行为也有一定的贡献.     

介孔碳化钨负载铂催化剂对甲醇氧化的电催化性能

采用硬模板法制备了介孔碳化钨(m-WC), 进一步还原铂的前驱体(H2PtCl6)得到Pt/m-WC催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对样品的物相、结构和形貌进行了表征。结果表明, 所制得的m-WC载体为单一的碳化钨相, 孔径为10~20 nm, Pt/m-WC催化剂中Pt的粒径约为3.4 nm, 主要以金属态形式存在, 相对比较均一的Pt纳米粒子均匀地分散在载体的表面和孔道中。电化学测试结果表明, 与普通WC载Pt催化剂(Pt/c-WC)相比, Pt/m-WC催化剂具有较大的电化学活性表面积, 对甲醇呈现出更高的电催化氧化活性和更好的稳定性。     

MOF(Co)/功能化石墨烯制备高效Co-N-C型氧还原催化剂研究

以六水合硝酸钴为金属源,苯并咪唑为有机配体,对苯二胺改性氧化石墨烯(PGO)为碳载体,采用一步溶剂热法合成金属有机骨架(MOF)-PGO前躯体,经过高温处理制备了多孔Co-N-PGO催化剂。采用比表面积孔隙度分析仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和X射线光电子能谱等物理表征手段对催化剂形貌、结构以及元素形态进行表征,同时利用线性扫描伏安法和计时电流法对催化剂在碱性电解液中的氧还原(ORR)性能进行测试。结果表明,Co-N-PGO催化剂具有较高的比表面积和电化学活性面积,良好的结晶程度以及丰富的孔洞结构。此外,Co-N-PGO催化剂表现出优异的ORR催化活性,半波电位与商业Pt/C催化剂相比仅相差10mV,同时拥有更好的稳定性及抗甲醇毒化性能。根据K-L方程,Co-N-PGO催化剂在ORR过程中主要为四电子途径,与Pt/C催化剂反应机理相似。     

炭载体孔径对Pt2Sn1/蠕虫孔炭催化剂乙醇电氧化活性的影响

分别以孔径为8.5nm、4.4nm和3.1nm的3种蠕虫孔炭WMC-F7、WMC-F30和WMC-F0为载体,合成了纳米Pt2Sn1/WMC催化剂。XRD与透射电镜结果表明3种载体上的催化剂平均粒径均为3.0nm,其电化学性能却相差很大。研究发现蠕虫孔炭载体的孔径显著影响Pt2Sn1催化剂的电化学性能:当载体孔径(Dp)大于2倍催化剂平均粒径(dPt)时,催化剂(即Pt2Sn1/WMC-F7)的电化学活性面积(ESA)和乙醇电氧化(EOR)活性均为最高;当以另外两种孔径的蠕虫孔炭作载体时,Pt2Sn1催化剂活性很差。这主要归因于WMC-F7的大孔径有利于传质,提高了催化剂的利用率及乙醇电氧化活性。     

ZIF衍生钴镍笼状双金属硫化物高效双功能电催化剂

锌-空气电池的阴极氧还原反应(ORR)动力迟缓,急需开发活性高、成本低的阴极催化剂。本文采用两次热解法合成了沸石咪唑酯骨架结构(ZIF)衍生的多孔碳负载Co、Ni双金属硫化物笼状纳米颗粒材料,通过SEM、XRD、Raman、N₂吸附比表面分析、电化学分析等对负载Co、Ni笼状双金属硫化物的多孔碳进行形貌、结构表征以及性能测试。结果表明,金属硫化物导电性能优异,且热解后的多孔碳结构会暴露更多活性位点,具有优异的电催化活性,ORR性能测试中,其半波电位可达0.89 V,优于商用Pt/C催化剂的0.85 V。OER性能在电流密度为10 mA/cm²时电位为1.79 V,与商用IrO₂(电位可达1.68 V)相当。本文制备的笼状双金属硫化物具有优异的性能,可作为锌-空气电池的优异双功能电催化剂。     

用于质子交换膜燃料电池的高活性、高稳定性PdCo/C合金催化剂

利用乙酸钴和双氰胺在不同温度下制备了碳包覆钴样品,并将其作为载体,利用液相还原法和真空热处理制备了PdCo/C合金催化剂。采用多种测试技术对样品进行了结构、形貌及组分的表征,研究了不同载体和不同热处理温度的样品的催化性能。实验结果表明,平均粒径为1.9nm的钯纳米颗粒能够均匀负载到含氮的石墨化程度较低的碳包覆钴载体上。热处理带来的合金化作用能够极大地提高催化剂的氧还原活性和稳定性,经过900℃热处理的样品其氧还原活性和稳定性都优于传统商业Pt/C催化剂。     

一步热解合成氮掺杂石墨烯载钴纳米粒子及其对氧还原反应的电催化性能

采用便捷的一步热解途径合成了氮掺杂石墨烯载钴纳米粒子(Co/NG),并表征了其结构、形貌和表面性质,进一步评价了Co/NG作为阴极催化剂对氧还原反应的电催化性能。透射电镜(TEM)和X射线粉末衍射(XRD)谱分析显示平均粒径21.4nm的Co纳米粒子较均匀地分散在三维多孔状石墨烯上。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,Co/NG存在两类含氮组分,即吡啶氮和吡咯氮。电化学测试结果显示,Co/NG催化剂在碱性介质中对氧还原反应的起始还原电位约-0.049V,极限电流密度为5.9mA/cm~2。其电催化活性与商业化Pt/C相当。     

DBHFC阴极铂合金催化剂的制备及其电催化性能

采用浸渍还原法分别制备了两种不同铂含量的Pt/C纳米催化剂和Pt-Mn/C、Pt-Co/C纳米合金催化剂,利用XRD和TEM技术对催化剂的粒径大小、晶体结构和晶格常数进行表征,并对四种催化剂进行了循环伏安、线性扫描伏安和电流-时间测试。结果表明:四种催化剂的平均粒径均在10nm以下,且Pt-Mn/C、Pt-Co/C两种合金催化剂的粒径均小于Pt/C催化剂;四种催化剂均为面心立方晶体结构;与Pt/C催化剂相比,两种合金催化剂的晶格常数有所减小,且结晶度较低。电化学性能测试表明,两种Pt合金催化剂较相同Pt载量的纯Pt催化剂具有更高的还原峰电位和更大的还原峰电流,其中Pt-Co/C催化剂的还原峰电位和峰电流最大;在催化剂稳定性方面,两种Pt合金催化剂要优于两种纯Pt催化剂。