《山西煤化所燃料电池催化剂设计研究取得重要进展》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-08-22
  • 直接甲醇燃料电池(DMFC)因其能量密度高,运输、储存方便,污染小等优点受到广泛关注。但是DMFC大量使用Pt基催化剂使其价格高昂,同时Pt易受到甲醇氧化反应中间体(尤其是CO)的中毒而失活,从而严重限制了DMFC的商业化进展。在已有的提高Pt基催化剂活性和抗中毒能力,制取低成本和高稳定性的Pt基催化剂的策略中,设计构筑合适的催化剂载体是一种最容易在不改变现有催化剂生产技术上,简单有效实现规模化DMFC生产的方法。为此,国内外研究者在不断开发各种先进载体以获得优异性能。

      近日,山西煤化所童希立科研团队在长期碳化硅研究基础上,发现通过纳米碳化硅载体支持,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(图1)。具体过程是采用CCl4干法腐蚀SiC表面的Si原子,在SiC表面原位生成一层超薄碳,碳层的厚度通过腐蚀时间得到调控。该材料支持Pt催化剂,表现出优异的催化甲醇氧化(MOR)性能,同时发现随着碳层的增厚,催化剂氧化甲醇的性能随之明显提高,抗CO中毒能力和稳定性等也得到大大改善。DFT计算研究其反应机理表明(图2),随着表面碳层的增厚,催化剂Pt上CO的吸附能明显减小,减缓了催化剂CO中毒现象;同时OH的吸附能增大,促进了Pt表面吸附的甲醇分子的氧化,使得获得得到显著提高。

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    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-03-24
    • 近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所纳米材料与器件技术研究部环境与能源纳米材料中心在以有机物5-羟甲基糠醛作为燃料的燃料电池研究中取得新进展,合成了负载在炭黑上的铂与硫化镍纳米颗粒双功能催化剂(PtNiSx/CB),不仅可以催化阳极燃料5-羟甲基糠醛(HMF)氧化为2,5-呋喃二甲酸(FDCA),还能够驱动阴极氧还原反应,实现在输出能量的同时将燃料转变为更高价值的产物。相关研究成果以Sustainable 2,5-furandicarboxylic synthesis by a direct 5-hydroxymethylfurfural fuel cell based on a bifunctional PtNiSx catalyst为题,发表在Chemical Communications上。 FDCA有望在化工生产中取代对苯二甲酸合成聚合物,是一种重要的近市场化工产品,主要通过热催化、光催化、电催化等方式氧化HMF得到。其中,电化学策略可与电化学析氢反应(HER)或电催化有机氢化合成结合,产生额外的高附加值产品,并提高能量转换效率。可持续和更节能的电催化FDCA合成工艺是燃料电池研究中的热点。 燃料电池作为一种可持续的能量转换和存储技术,因其能量转换效率高、环境友好等优点得到广泛研究和发展。燃料电池技术包含两个重要的化学反应——阳极的燃料氧化反应和阴极氧还原反应(ORR),均需要利用高效且价格相对低廉的催化剂以降低反应能垒,进而提高反应动力学。 基于此,研究人员设计出氧还原与有机合成相结合的直接HMF燃料电池(DHMF-FC)形式;采用浸渍、熏硫与煅烧的策略,合成了双功能PtNiSx催化剂。研究发现,铂与硫化镍间存在界面,Pt和NiSx纳米颗粒之间密切的相互作用与界面效应使得该催化剂具有良好的电化学ORR和HMF氧化催化活性。此外,NiSx的引入有利于ORR四电子反应过程的进行,硫元素也可有效防止金属颗粒的团聚。半电池的电化学测试和ICP-AES测试结果显示,PtNiSx/CB具有优异的ORR与OER性能,电化学活性面积(79 m2 gPt-1)高于商业Pt/C(64 m2 gPt-1),且其中铂的负载量(7.60 wt%)低于商业铂碳(20 wt%)。加入HMF后的燃料电池在60℃时,开路电压为0.52 V,放电效率达2.12 mW cm-2,电流密度为6.8 mA cm-2;对放电反应电解液进行液相色谱检测,发现HMF几乎完全转化为FDCA,转化率接近98%,选择性达到100%。该研究有助于设计和发展双功能的燃料电池电催化剂。 研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。
  • 《科学家开发新型燃料电池催化剂》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-10-29
    • 阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。 使用不太贵重的铂的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合使用,但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。 现在,布朗大学的研究人员已经开发出一种新型合金催化剂,既能减少铂的使用,又能在燃料电池测试中保持良好的性能。 据《焦耳》杂志报道,这种催化剂由铂合金和纳米颗粒中的钴制成,在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(DOE) 2020年的目标。 “合金催化剂的耐久性是该领域的一个大问题,”布朗大学化学研究生Junrui Li说。 “研究表明,合金最初的性能比纯铂要好,但在燃料电池中,催化剂的非贵金属部分会很快被氧化和过滤掉。” 为了解决这个浸出问题,Li和他的同事开发了一种特殊结构的合金纳米颗粒。 这些粒子有一个纯铂外壳,围绕着一个由铂和钴原子交替层构成的核心。 布朗大学(Brown)化学教授、该研究的资深作者Shouheng Sun表示,这种分层的核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。 “内核中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格,”Sun说。 “这增加了铂的反应性,同时也防止了钴原子在反应过程中被吃掉。这就是为什么在金属原子随机排列的情况下,这些粒子比合金粒子表现得更好。” 关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在焦耳论文中有简要描述,但更具体地说,在发表在《化学物理杂志》上的另一篇计算机建模论文中。 这项建模工作由安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)领导,他是布朗工程学院的副教授,也是焦耳论文的合著者。 为了进行实验工作,研究人员测试了催化剂的能力来执行氧还原反应,这对燃料电池性能和耐久性是至关重要的。 在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧, 从氢燃料中剥离出来的电子会产生驱动电动机的电流。在电池的另一端,氧原子吸收这些电子来完成一个循环。 这是通过氧还原反应完成的。 初步测试表明,该催化剂在实验室环境下表现良好,优于更传统的铂合金催化剂。 新催化剂在3万次电压循环后仍然保持活性,而传统催化剂的性能明显下降。 但是,尽管实验室测试对于评估催化剂的性能很重要,研究人员说,它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的性能。 与实验室测试环境相比,燃料电池环境温度更高,酸度也不同,这将加速催化剂的降解。 为了弄清楚这种催化剂在这种环境下能维持多久,研究人员将这种催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室,在一个实际的燃料电池中进行测试。 测试表明,该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。 美国能源部要求研究人员开发催化剂,到2020年,其初始活性为每毫克铂0.44安培,在3万次电压循环(大致相当于燃料电池汽车使用5年)后,其活性至少为每毫克铂0.26安培。 对新催化剂的测试表明,它的初始活性为每毫克0.56安培,在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。 “即使经过了30000个循环,我们的催化剂仍然超出了能源部最初的活性目标,”Sun说。 “在真实的燃料电池环境中,这种性能真的很有前途。” 研究人员已经申请了催化剂的临时专利,他们希望继续开发和完善它。