具有特殊形貌和有序孔结构燃料电池用碳材料研究进展

特殊形貌和有序孔结构碳载体材料因其独特的结构显示出与常规碳材料不同的性质,在众多领域具有广泛的应用前景。以其作为燃料电池电催化剂载体可显著改善贵金属活性组分的分散度,有利于电极内的物料与电荷传输,进而提高催化剂活性和燃料电池性能。本文综述了近年来以碳纳米管、碳纳米纤维、介孔碳和碳凝胶等新型碳材料作为催化剂载体的研究进展,并对未来的发展趋势进行了展望。     

等离子体技术应用于碳载体改性及铂基催化剂制备的研究进展

铂（Pt）因具有高催化活性仍是燃料电池不可替代的主催化剂,但铂成本高、储量少,阻碍了燃料电池的商业化进程,为降低Pt金属用量,提高其催化活性,常与碳载体负载以增强Pt分散度,降低Pt粒径。研究证实,碳载体改性会进一步提升催化剂活性。等离子体具有绿色、快速等优势,在碳载体改性及催化剂制备方面得到了广泛的应用,成为目前研究的热点。然而,在等离子体改性碳载体及制备Pt基催化剂过程中,等离子体处理条件会对碳载体表面改性结构、Pt粒径分布、形貌及性能产生影响。因此,需要从等离子体改性碳载体作用机理入手,找到不同碳载体的最佳改性条件,实现对碳载体改性结构的精准控制。研究等离子体法制备Pt基催化剂同样需要对Pt纳米粒子的形核生长机理深入分析,并探究可控合成的工艺条件,实现Pt基催化剂的规模化、可控化制备,最终为Pt纳米颗粒的负载提供有效的锚点位点,提高Pt的催化活性。与此同时,等离子体实现碳载体改性及Pt基催化剂制备往往是两个独立的过程,这限制了该组合工艺规模化、产业化发展,因此考虑两个过程的协同实现也是未来的研究方向之一。近年来,等离子体在碳材料改性及Pt基催化剂制备方面取得了显著成果。在碳材料改...     

喷射裂解法制备碳纳米笼和石墨烯片层及其作为铂催化剂载体的应用

采用喷射裂解法,以羰基铁为催化剂前驱体,吡啶为碳源,通过改变温度或比例(V(羰基铁)∶V(吡啶))制备了不同形貌的碳纳米材料。采用氯化铵热处理法去除碳材料中的铁催化剂,得到具有空心结构的碳纳米笼和石墨烯片层,采用高分辨透射电镜(HRTEM)对载体的形貌特征进行表征。然后将Pt纳米粒子沉积在碳载体上,得到不同的Pt/C催化剂。通过HRTEM、X射线衍射(XRD)和电化学测试对合成催化剂的结构、形貌和电化学性能进行了表征。实验结果表明:制备温度和反应物比例的变化导致产物的结构形貌发生变化;当作为催化剂载体时,其微观结构和石墨化程度对催化剂的催化活性和稳定性有很大的影响。     

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。     

氢气还原法制备Pt/MoOx/C及其对氧还原的电催化性能

用氢气在高温下还原吸附到碳载体上的钼酸铵和氟铂酸,制备出Pt/MoOx/C金属-氧化物复合型催化剂.考察了Pt/MoOx/C催化剂的电化学性能,经旋转圆盘电极测试表明在低电位区Pt/MoOx/C对含甲醇溶液中的氧还原的催化活性高于Pt/C.     

PEMFC用抗溺水性功能化Pt/C催化剂的制备及表征

催化剂的碳载体腐蚀是Pt/C催化剂催化性能下降的重要原因,并且亲水性的催化剂增加了质子交换膜燃料电池氧电极发生水淹的风险。利用过氧化氢对XC-72碳进行氧化预处理,负载Pt后,进一步用水合肼对Pt/C催化剂还原,制备耐蚀性和抗溺水性的Pt/C催化剂。对红外光谱吸收峰进行比较可知,经双氧水处理后,XC-72碳表面的含氧官能团数量增加,其接触角小于未经处理的XC-72碳;进一步用水合肼还原氧化后的XC-72碳,接触角较氧化的XC-72碳增大22.4°,抗溺水性增强。由比表面积测定可知,双氧水处理XC-72碳,比表面积下降,但中孔比例增加,有利于Pt的负载。水合肼还原后的Pt/C催化剂较还原之前的Pt/C催化剂抗溺水性增强,接触角增大6.2°。经2000周次循环伏安扫描,水合肼还原后的Pt/C催化剂电化学比表面损失减小,耐久性提高。     

稀土掺杂MPt/C(M=La,Nd)催化剂的研究

为了研究稀土掺杂对PEMFC用Pt/C电催化剂的影响,本文使用浸渍法合成了La、Nd稀土掺杂MPt/C催化剂材料,并采用XRD分析了其晶相结构变化规律.用循环伏安和电性能实验测试了样品的催化活性,探讨了其微观结构与催化性能之间的关系.结果表明稀土掺杂使其氧还原反应的活性晶面得到提高,使Pt粒径减小,从而提高其电化学比表面积和催化活性,显著改善了PEMFC的电池性能.     

恒压电沉积Pt-Fe合金催化剂及在PEMFC阴极的应用

利用循环伏安法探究Pt与Fe共沉积的还原电位, 并在此电位下在多孔碳布表面恒压电沉积制备Pt-Fe合金, 研究其作为质子交换膜燃料电池 (PEMFC)阴极催化剂的电催化活性。通过X射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及场发射扫描电子显微镜 (FESEM)、能量色散谱 (EDS)、循环伏安 (CV)、单电池极化、电化学交流阻抗谱 (EIS)等测试技术对所得催化剂进行物理及电化学性能表征。实验表明, 在0.075 V电位下可还原得到Pt-Fe合金, 其颗粒在碳布表面呈空心球状且分散均匀; 共沉积时间对Pt-Fe合金催化剂成分组成有显著的影响, 随着时间的增加, 合金中Pt与Fe原子比增加, Fe相对含量下降。Fe可与Pt形成稳定的合金催化剂, 显著提高铂对氧还原的催化活性。电沉积30 min制得的合金催化剂具有最佳的催化活性。     

碳基纳米结构作为燃料电池催化剂载体的研究进展

质子交换膜燃料电池的主要商用催化剂是碳负载铂纳米粒子体系,其中碳的形式主要是碳黑。然而Pt属于贵金属,价格高、储量低,严重阻碍了PEMFCs的商业化进程。新型碳基纳米材料的不断涌现以及对其性能研究的不断深入,为解决上述问题带来了可能。越来越多的研究显示,基于新型碳基纳米材料的担载体系,不但能够提高Pt的利用率,降低所需的Pt担载量,还能提升催化剂的稳定性和催化活性等,从而高效地提升担载型催化剂的性价比。概述了近年来碳基纳米材料作质子交换膜燃料电池催化剂载体的研究进展,并讨论了未来的发展方向以促进质子交换膜燃料电池的大规模商用。     

质子交换膜燃料电池关键材料的研究进展EI北大核心CSCD

燃料电池是一种非常有前景的新能源体系。燃料电池不使用热力发动机,利用电极和电解质界面发生的化学反应直接将燃料的化学能转换成电能,反应不受卡诺循环限制,因此,具有高的能量转换效率。在燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)在便携式设备、交通运输以及固定装置领域具有重要的应用前景。然而,目前的PEMFC还存在一些问题,主要包括高成本、功率不足、稳定性差等问题,限制了其大规模商业化应用。这些问题的根本原因在于PEMFC中阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的成本和性能还不能满足PEMFC商业化的要求。要实现PEMFC的大规模应用,需要开发先进的阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料。针对PEMFC对低成本、高性能先进材料的需求,本文综述了阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的研究进展以及应用面临的问题,并指出了未来的发展方向:加强铂合金催化剂以及金属-氮-碳(M-N-C)化合物催化剂的规模化制备工艺的探索;制备兼具高质子传导率和优异力学性能的质子交换膜;详细研究改性气体扩散层在不同的工况条件下对PEMFC性能的影响;开发具有优良耐蚀性和导电性的涂层或新型金属材料用于双极板。     

LiFePO4/C复合材料制备过程中碳源及碳包覆方法的研究进展

LiFePO4以其价格低廉、稳定性好、循环性能好和无毒等优点,有望成为下一代锂离子电池的正极材料,但是LiFePO4电导率低和锂离子扩散系数小限制了它的实用化。碳包覆作为一种非常有效的导电改性方法,受到极大关注。在碳包覆中采用不同的碳源和不同的碳包覆方法,对LiFePO4的电化学性能影响不同。结合国内外的研究现状,综述了LiFePO4/C复合材料制备过程中不同碳源以及不同的碳包覆方法对其电化学性能影响的研究进展。     

改性碳纳米材料在低温燃料电池中的应用

碳纳米材料(如炭黑、介孔碳、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米角等)因其优异的电学性能和结构特性(良好的导电性能和超大的比表面积),被研究者广泛用作低温燃料电池贵金属催化剂的载体.然而,作为催化剂载体的这类碳纳米材料通常都存在电化学腐蚀的问题,碳载体的腐蚀通常会导致贵金属纳米催化剂的聚集,这将使催化剂的性能降低.为了改善碳载体的抗腐蚀性能,提高金属纳米粒子的活性和稳定性,许多研究工作致力于制备特殊结构的碳纳米材料,或对碳纳米材料进行表面修饰、掺杂等.与此同时,为了取代价格昂贵的贵金属催化剂,非贵金属催化剂的研究也成为一大热点,掺杂碳纳米材料就是研究热点之一.对近几年来围绕碳纳米材料制备、改性,以及这些改性碳纳米材料作为金属纳米粒子载体等的研究工作做了较为详细的综述,同时介绍了掺杂碳纳米材料作为氧还原催化剂的研究进展.     

改性碳纳米材料在低温燃料电池中的应用

碳纳米材料(如炭黑、介孔碳、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米角等)因其优异的电学性能和结构特性(良好的导电性能和超大的比表面积),被研究者广泛用作低温燃料电池贵金属催化剂的载体。然而,作为催化剂载体的这类碳纳米材料通常都存在电化学腐蚀的问题,碳载体的腐蚀通常会导致贵金属纳米催化剂的聚集,这将使催化剂的性能降低。为了改善碳载体的抗腐蚀性能,提高金属纳米粒子的活性和稳定性,许多研究工作致力于制备特殊结构的碳纳米材料,或对碳纳米材料进行表面修饰、掺杂等。与此同时,为了取代价格昂贵的贵金属催化剂,非贵金属催化剂的研究也成为一大热点,掺杂碳纳米材料就是研究热点之一。对近几年来围绕碳纳米材料制备、改性,以及这些改性碳纳米材料作为金属纳米粒子载体等的研究工作做了较为详细的综述,同时介绍了掺杂碳纳米材料作为氧还原催化剂的研究进展。     

碳材料在太阳能电池对电极中的研究进展

简要说明了太阳能电池对电极的作用,并阐述了铂对电极、镍对电极、聚合物对电极和氧化铜对电极目前的发展状况.碳材料具有良好的导电性能和催化性能,具有制备太阳能电池对电极的基本性质.详细论述了碳材料对电板的制备工艺及其性能参数,与其它对电极相比,碳材料制备的对电极导电性能好,光电转化率可达到铂电极的90%,优于其它材料制备的对电极,而且价格低廉,因此碳材料对电极具有广阔的发展前景.碳材料对电极是染料敏化太阳能电池的重要研究方向.     

Carbon materials for chemical capacitive energy storage

Carbon materials have attracted intense interests as electrode materials for electrochemical capacitors, because of their high surface area, electrical conductivity, chemical stability and low cost. Activated carbons produced by different activation processes from various precursors are the most widely used electrodes. Recently, with the rapid growth of nanotechnology, nanostructured electrode materials, such as carbon nanotubes and template-synthesized porous carbons have been developed. Their unique electrical properties and well controlled pore sizes and structures facilitate fast ion and electron transportation. In order to further improve the power and energy densities of the capacitors, carbon-based composites combining electrical double layer capacitors (EDLC)-capacitance and pseudo-capacitance have been explored. They show not only enhanced capacitance, but as well good cyclability. In this review, recent progresses on carbon-based electrode materials are summarized, including activated carbons, carbon nanotubes, and template-synthesized porous carbons, in particular mesoporous carbons. Their advantages and disadvantages as electrochemical capacitors are discussed. At the end of this review, the future trends of electrochemical capacitors with high energy and power are proposed.     

碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究

传统的水泥混凝土材料由于功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度差,在一些特殊领域中的应用受到了很大限制.碳纤维由于具有高比强度、高比模量、密度小、耐腐蚀、导电性好、对人畜无害等优异性能而颇受材料科学工作者的青睐,被视为许多复合材料的优良增强体.将碳纤维加入到水泥基体中,制成碳纤维增强水泥基复合材料,不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷,使其具有高强度、高模量、高韧性,更重要的是能把普通的水泥建筑材料变成对温度和应力敏感、具有自感知内部应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的智能材料.     

生物质基碳气凝胶制备及应用研究

生物质材料成本低廉、碳源丰富,是碳气凝胶制备中最经济、环保和可持续性的原料。生物质基碳气凝胶展现出密度低、弹性高、比表面积大和导电性好等优异特性,有望广泛应用于电化学储能器件和吸附净化等领域。综述了生物质基碳气凝胶,如纤维素碳气凝胶、木质素基碳气凝胶、生物质衍生物基碳气凝胶以及碳气凝胶复合结构材料的制备工艺,总结了生物质基碳气凝胶在吸附和电化学等领域的应用研究。最后,分析了大规模制备结构均一和性能优良的生物质基碳气凝胶面临的机遇与挑战。     

碳纤维对工程结构加固的试验研究

碳纤维及其复合材料是伴随着军工事业的发展而成长起来的新型材料,碳纤维布由于其高强、轻质、耐腐蚀等优点而广泛用于结构加固中,与其它加固方法相比,碳纤维布加固具有易于施工、工效高、造价低且耐腐蚀等优点.本文在总结前人工作基础上,研制了用于碳纤维布加固的GF结构胶,并测试了其物理力学性能;通过试验研究了碳纤维布加固梁在荷载作用下的挠度、强度、裂缝展开情况及破坏模式.试验结果表明,经过碳纤维布加固的梁,其承载能力和刚度均较未加固梁有较大幅度的增加,采用碳纤维布加固对裂缝的开展有明显的约束效果.     

Progress in modified carbon support materials for Pt and Pt-alloy cathode catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cells

H₂-fed polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are the most advanced fuel cell technology to date and continue to be of great interest as prospective energy sources in numerous applications, including for low/zero-emission electric vehicles, distributed power generators in homes, and small portable electronic devices. However, the commercialization of PEMFC technology has been greatly hindered by certain challenges, mainly the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction at the cathode and the high cost of Pt-based cathode catalysts, the latter presently accounting for over 55% of the total PEMFC cost. To overcome the limited stability of state-of-the-art Pt/C, Pt and Pt-alloy catalysts supported on modified carbon materials have garnered significant interest in recent years. It is therefore timely to compile a review that focuses on Pt and Pt-alloy catalysts supported on modified carbon materials, examining their current R&D status, applications, challenges, and future prospects. This review provides a systematic and comprehensive survey of current Pt and Pt-alloy PEMFC cathode catalysts in terms of materials selection and design, synthesis methods, and structural features, emphasizing how these various aspects relate to the catalysts’ physicochemical characterization and performance, and with the aim of shedding light on the future direction of PEMFC research.