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实验室燃料电池催化剂设计取得系列进展

时间 :2020年11月06日   来源于:煤转化国家重点实验室

燃料电池是一种高效清洁能源技术,近年来受到普遍的关注。直接醇类燃料电池作为其中的一员,因其能量密度高,使用与运输方便,原料来源丰富等优点,具有了重要的研究价值。该燃料电池的技术核心是高效阳极醇氧化反应催化剂的设计。目前大量使用的Pt/C催化剂不仅价格昂贵,同时容易受到醇氧化过程中间物种的毒化而失活。为此,童希立课题组开始尝试从载体、催化剂形貌、催化剂成分等角度进行新型催化剂的设计,取得了以下一系列成果。
1. 通过合成超薄碳层原位包覆纳米碳化硅,作为新型Pt载体。由于载体的作用使Pt电子结构得到优化,从而CO的吸附能明显减小,同时OH基团的吸附能增大,促进了Pt表面吸附的甲醇分子的氧化,使活性获得显著提高。可以明显减少Pt的使用量并保持活性(是商用Pt/C催化剂3倍以上),同时提高了其抗CO中毒能力。
2. 利用不同结构导向剂,构建不同纳米多孔结构催化剂,包括无序堆积、有序径向和三维网状介孔结构。研究结果表明,孔结构在暴露催化剂活性点数、反应分子扩散动力学方面起着重要影响作用,孔结构骨架是决定粒子内部电子迅速转移的关键因素。
3. 在孔结构控制的基础上,对催化剂化学组成进调控,尤其加入P、N等非金属元素,优化金属的费米能级,提高其对醇的吸附能力以优化醇氧化活性。
4. 设计了特殊的核壳结构催化剂,利用两种金属之间晶格差异产生的应力调控优化活性金属的电子结构,从而提高醇物质在催化剂表面的吸附,使得醇电氧化活性得到明显提高。
这些工作为今后开发研究高效的直接醇类燃料电池阳极催化剂提供了研究基础。
相关结果分别发表在Small DOI: 10.1002/smll.201902951; Chemical Communication DOI: 10.1039/d0cc01228a; ACS Appl. Mater. Interfaces DOI: 10.1021/acsami.0c08912; Small DOI:10.1002/small.202004727.

相关催化剂的TEM照片,a. C/SiC, b. Porous Rh, c. Porous NiCoP, d. Ag@Pd2P0.2

(909组)