蒋湘芬
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王学斌
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沈丽明
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吴强
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王秧年
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马延文
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王喜章
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胡征
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61117-2
高性能低成本的担载型铂基催化剂是直接甲醇燃料电池(DMFC)实用化过程中的一大挑战.利用高比表面积、高稳定性、容易负载金属的载体实现 Pt颗粒的高度分散,既可提高催化剂的催化性能,又可提高 Pt的利用率以降低成本,是担载型 Pt基催化剂实用化的有效途径.碳材料是一种常用的催化剂载体,近年来我们课题组发展了一种高性能的碳纳米笼材料,并可通过异原子掺杂调变其表面性能,提高其活性和负载能力.我们采用原位氧化镁模板法制备氮掺杂碳纳米笼：以具有多级结构的碱式碳酸镁作为氧化镁模板的前体,吡啶为碳源和氮源,经高温热解沉积,在原位形成的氧化镁模板表面形成氮掺杂的石墨化碳纳米薄层；经稀盐酸浸泡并洗涤,获得高纯度的氮掺杂碳纳米笼.氮掺杂碳纳米笼具有分等级的微纳米结构、高导电性、高比表面积和可调变的孔结构,结合表面氮原子的锚钉作用,氮掺杂碳纳米笼有望成为电化学催化剂 Pt的优良载体.
在前期研究基础上,本文探索多级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为新型载体负载 Pt的能力,并评价所构建的负载型催化剂 Pt/hNCNC的电催化性能.通过简便的微波辅助多元醇还原法,将氯铂酸还原成 Pt纳米粒子负载于 hNCNC的表面.为了揭示氮掺杂的效应,我们对比研究了具有相似分级结构但无掺杂的碳纳米笼(hCNC)以及商业化活性炭(Val-can XC-72)作为载体的情况.经热重(TG)和 X射线光电子能谱(XPS)分析,三种催化剂 Pt/hNCNC、Pt/hCNC和 Pt/XC-72的负载量均接近理论负载量(23.1 wt%),都主要以金属态存在.然而,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明, Pt/hNCNC的 Pt分散状态优于 Pt/hCNC,更远优于 Pt/XC-72. Pt/hNCNC的平均 Pt粒径最小,仅约3.3 nm.这种良好的分散状态主要得益于氮原子掺杂,高负电性的氮原子改变了局域的表面极性,有利于 Pt颗粒的成核,也有利于固定 Pt颗粒.
由于 hNCNC对 Pt的优异分散能力, Pt/hNCNC表现出高的电化学活性面积.氢吸附和一氧化碳溶出伏安曲线表明, Pt/hNCNC的电化学活性面积高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,这与显微观察和 X射线衍射(XRD)结果相吻合. Pt/hNCNC展现出优异的甲醇电催化氧化活性和高稳定性,其催化电流明显高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,电流衰减亦慢于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72. hNCNC的分级微纳米结构有利于孔内传质和电子输运,从而提高反应速度. hNCNC的氮掺杂有利于 Pt在载体表面的分散,增强了载体-金属相互作用,提高了电化学活性面积和催化活性.为了进一步考察 hNCNC对 Pt的负载能力,本文还考察了高负载量 Pt/hNCNC的性能.在负载量高达60 wt%时, Pt/hNCNC中的 Pt颗粒仍无明显聚集,其甲醇氧化电流增加了30%,可以有效提高 DMFC的输出电流密度.
综上可见, hNCNC可以有效分散并稳定 Pt颗粒,从而提高电化学活性面积和甲醇电催化氧化活性,优于未掺杂的碳纳米笼和传统碳材料,展示了 hNCNC高分散 Pt颗粒用作 DMFC的高效阳极催化剂的重要前景,也表明 hNCNC有望成为应用广泛的新型载体.
关键词:
甲醇氧化
,
燃料电池
,
铂催化剂
,
分级结构氮掺杂碳纳米笼
,
高性能
高孝麟
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王昱飞
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谢和平
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刘涛
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储伟
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62783-9
随着能源需求的进一步增多和化石能源的大幅度减少,新型环境友好型能源成为近十年许多科研工作者的着力点.其中,燃料电池作为一种高效率、高能量密度、环境友好型能源引起了人们的关注.氢氧燃料电池研究最早、应用最早,具有得天独厚的优势.此外,由于近些年CO2的大量排放,造成了严重的温室效应,其处理也是一个严峻的课题.谢和平课题组提出的CO2矿化发电,不仅可以处理CO2,也可以作为新型能源应用,前景广阔.而不论是氢氧燃料电池还是CO2矿化电池,其阳极反应均为氢气氧化反应(HOR).Pt作为目前仍无法取代的HOR反应催化剂,不仅全球储量有限且价格昂贵,所以,寻找一种价格低廉催化性能好的催化剂成为这些新能源进一步应用的重要课题之一.对此人们进行了大量探索,主要包括尝试不同的载体、改变金属颗粒尺寸形貌等.其中,伽伐尼置换法对于制备纳米核壳结构催化剂以及降低金属颗粒尺寸、增加比表面积均有很大帮助.基于此,本文采用浸渍法和伽伐尼置换法制备了用Pt修饰Ni/C的纳米催化剂,使得纳米级活性金属均匀分散在载体上,加之双金属效应,相对于纯Pt/C催化剂,催化能力提高.浸渍法制得Ni/C前驱体,再将其置于纯乙醇中,用H2PtCl6作为Pt源置换部分Ni,得到Pt修饰的Ni/C催化剂.XRD射线衍射测试结果表明,一般的PtNi合金由于晶格相互影响,只会出现Pt的偏移衍射峰,而该催化剂均出现明显的PtNi两种元素的衍射峰,PtNi晶格互相没有影响.循环伏安法测试结果表明,在Pt-Ni/C系列催化剂中,Pt和Ni含量不同,其电化学活性面积(ECSA)各不相同.在金属总含量一致的前提下,随着Pt含量的增加,催化剂ECSA先增加后减小,最大值为66.90 m2/g,是市售Pt/C(54.12 m2/g)的1.24倍.Tafel测试HOR/HER反应交换电流密度的结果与ECSA结果一致,而Pt-Ni/C催化剂的交换电流密度最高可达485.45 A/g,是市售Pt/C(301.91 A/g)的1.6倍.对性能较好的Pt-Ni/C催化剂进行了表征,X射线光电子能谱结果发现,该催化剂载体上只有少部分Ni的氧化物裸露在表面,大部分为Pt.而透射电镜结果表明,该催化剂纳米级活性金属颗粒尺寸一致,且均匀地分散在载体表面.综合催化剂表征和电化学性能测试结果可知,使用伽伐尼置换法得到的Pt修饰的Ni/C催化剂分散均匀、颗粒尺寸小,且由于Pt作为主要催化活性金属分散于催化剂表面,而Ni作为辅助金属并不直接参与HOR反应,使得该催化剂具有较高的电化学活性.在Pt含量较少时,由于有很多Ni在催化剂表面,且催化层厚度较大,故催化活性一般.随着Pt含量的增加和Ni含量的减少,当催化剂表面只有很少Ni及相关化合物时,由于Pt比表面积大,故活性最高.当Pt含量继续增加时,Pt在Ni表面厚度增加,很多Pt被包裹,故催化活性再次降低.
关键词:
铂催化剂
,
伽伐尼置换法
,
碳负载的Ni催化剂
,
氢气氧化反应
,
电化学活性面积
杜洪仪
,
陈飔
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王恒伟
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路军岭
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62859-6
同时含有金属和酸性位点的双功能催化剂已广泛用于石油加氢裂解和可再生生物质转化中.这两种位点之间的距离对双功能协同作用起着至关重要的作用,进而影响催化剂的活性与选择性.近年来,由生物质转化生产生物燃料和化学品得到了广泛的关注.相比于石油裂解工艺,金属-酸性位点临近效应在生物质转化反应中鲜有报道.甘油是来自生物柴油生产过程中的廉价副产物(约总产量的10%).通过选择性氢解将其转化为具有高附加价值的化学品如1,2-丙二醇和1,3-丙二醇,这是提高其附加值的主要途径.甘油氢解包含脱水与加氢两个过程,分别发生于酸性位点与金属位点上.根据文献报道,Lewis酸位点倾向于进攻甘油端位的羟基,生成中间产物丙酮醇,而Br?nsted酸则更易进攻甘油中间位的羟基产生3-羟基丙醛;随后两者进一步加氢分别生成1,2-丙二醇和1,3-丙二醇.负载型金属催化剂广泛应用于甘油氢解反应中,在金属催化剂中添加酸性助剂能显著提高催化剂的活性.大量研究表明,无论是将酸性物种添加到金属颗粒表面或者是载体上甚至是简单的物理混合,均能有效提升催化剂的催化性能.然而据我们所知,金属-酸性位点之间的临近效应还未在甘油氢解反应中报道过.本文利用原子层沉积技术(ALD)在Pt/Al2O3催化剂表面精确沉积了一层酸性多孔的氧化铝包裹层,同时提高了Pt催化剂的活性与1,2-丙二醇选择性;我们进一步通过高分辨透射电镜(HRTEM)、一氧化碳吸附漫反射红外光谱(CO DRIFTS)、吡啶DRIFTS等手段研究了Al2O3包裹层造成催化活性提升的原因.30个ALD周期氧化铝包裹后的催化剂具有最高的活性与选择性,HRTEM观测到催化剂中的Pt纳米颗粒的尺寸为7 nm,氧化铝包裹层厚度为3.6 nm.与未包裹的Pt/Al2O3催化剂相比,沉积在Pt纳米颗粒上的酸性Al2O3与Pt颗粒形成更多的金属-酸性位点界面,从而提升了Pt与Al2O3酸性位点的亲密性.由于生长的氧化铝薄膜与载体氧化铝为相同物种,因此催化剂包裹前后总体的酸度并未发生明显改变,与吡啶化学吸附实验结果相一致.TEM测试发现,氧化铝包裹层在催化反应测试后会发生部分脱落.CO DRIFTS结果同样表明,随着反应时间的增加,Pt上CO的吸收峰逐渐增强,再次证实了Pt颗粒表面包裹层的脱落;但还发现一个位于1963 cm?1的新CO吸附峰.该峰可归属于吸附于Pt与Al2O3包裹层界面的桥式CO.此外,我们对其丙酮醇中间产物做了加氢反应的对比实验.结果表明Al2O3包裹层对Pt的加氢性能并未增加,说明甘油氢解反应的速控步骤是脱水.因此,我们初步认为,Al2O3包裹对甘油氢解反应活性的提高是通过其酸性而促进甘油脱水反应所致.我们还研究了Pt尺寸效应对甘油氢解反应的影响,发现小颗粒Pt对1,2-丙二醇的选择性比大颗粒更高,而活性更低,这表明甘油氢解是一个结构敏感反应.因此,Al2O3包裹层对1,2-丙二醇选择性的提高可能是由于几何效应造成的,Pt颗粒表面被Al2O3包裹层分割为许多Pt聚集体,类似于减小颗粒尺寸,从而提高了反应选择性.
关键词:
金属-酸性位点临近效应
,
甘油氢解
,
铂催化剂
,
原子层沉积
,
氧化物包裹
