直接甲酸燃料电池催化剂的研究进展
硕士研究生课程论文(2010-2011学年第一学期)题目：直接甲酸燃料电池催化剂的研究进展硕士研究生：江正福直接甲酸燃料电池催化剂的研究进展江正福摘要：本文主要从直接甲酸燃料电池的阳极电化学氧化机理、阳极催化剂的制备方法、中毒机理、催化剂性能的影响因素以及研究现状等方面进行介绍，最后讨论直接甲酸燃料电池作为新型能源的未来发展前景。
关键词：直接甲酸燃料电池；阳极催化剂；制备方法；中毒机理1 引言：由于能源危机的提前到来，燃料电池作为新型替代能源提前登上了历史的舞台并扮演着重要的角色，然而由于成本以及技术等方面的原因，直接甲醇燃料电池成为世界上许多国家的研究开发热点，并已取得了可喜的成绩，但是甲醇有相当高的毒性，刺激人的视觉神经，过量会导致失明。
因此，要想实现低温燃料电池在便携式电源领域的应用，很有必要探索其他的无毒液体燃料来替代高毒性的甲醇，甲酸-这种有机小分子由于其诸多优点引起了人们广泛的兴趣。
首先，与甲醇相比，甲酸无毒。
其次，甲酸不易燃，存储和运输安全方便。
三，甲酸的电化学氧化性能要比甲醇好，用甲酸作燃料时，在标准状态下的理论开路电压为1.45V，高于甲醇。
四，甲酸作为燃料，可以有很高的浓度，即使达到20mol/L，还是有很好的性能。
五，甲酸是一种电解质，有利于增加阳极室内溶液的质子电导率。
六，由于Nafinon膜中的磺酸基团与甲酸阴离子间有排斥作用，因此，甲酸对Nafion膜的渗透率远小于甲醇。
由于其上述诸多优点，因此它是一种很有发展前景的替代能源。
2 甲酸的电化学氧化机理与所有的质子交换膜燃料电池一样，直接甲酸燃料电池阴极使用的都是空气。
甲酸首先在阳极被氧化，生成质子和电子，质子通过质子交换膜传输到阳极与氧反应生成水，而阳极生成的电子通过外电路传输到阴极。
阳极:HCOOH→CO2+2H++2e- (l)阴极:1/2O2+2H++2e-→H2O (2)总反应:HCOOH+1/2O2→CO2+H2O OCV~1.48V (3)甲酸氧化机理比较复杂，目前还没有定论。
广泛接受的甲酸在纳米催化剂上的氧化机理主要基于两种途径[1]，即“直接途径”和“非直接途径”。
“直接途径”认为甲酸首先在催化剂电极上失去一个电子和一个H+，形成中间产物吸附在催化剂上:HCOOH→COOH ads+e-1COOH ads→CO2+H++2e-1“非直接途径”认为甲酸氧化过程中，形成有害的中间产物CO吸附于催化剂表面，降低催化剂的效率。
吸附的CO在苛刻的条件下才能被还原成CO2。
HCOOH→CO ads+H2O→CO2+2H++2e-1后来，在甲酸氧化过程中红外线反射吸收光谱(Infrared reflection absorption spectroscopy)检测到CO，确认CO为甲酸氧化过程中的一种有害中间产物。
同时甲酸氧化过程中还检测出COH/HCO[2]，认为COH/HCO可能也为一种有害物质。
并且CO的形成也有不同的看法，一种认为以下的过程形成CO[3]: COOH ads+2H ads→COH ads+H2OCOH ads→CO ads+H++e-1CO的第二种形成过程认为比较复杂，通过如下过程进行[4]:HCOOH ads+H++e-1→ [CH (OH) 2] ads[CH (OH) 2] ads→HCO ads+H2OHCO ads→CO ads+H++e-1另外，COOH一直被认为是甲酸氧化过程的活性中间体，但在实验中一直没有得到证实。
红外线反射吸收光谱在甲酸氧化反应中检测到催化剂表面吸附了HCOO,认为HCOO是甲酸氧化过程的活性中间体，所以Samjeske等提出了第三种甲酸氧化途径，即“甲酸根途径”：HCOOH→HCOO ads+e-1HCOO ads→CO2+H++2e-13 阳极催化剂制备方法3.1浸渍-液相还原法将Pt的可溶性化合物溶解后，与载体混合，再加入各种还原剂，如NaBH4、甲醛、柠檬酸钠、甲酸钠、肼等，使Pt还原并吸附在载体上，然后干燥，制得Pt/C催化剂。
这种方法的优点是简便可行，缺点是分散性不好，多组分时，载体内部常常发生各组分分布不均匀的问题。
3.2电化学沉积法利用循环伏安法、欠电位沉积等电化学方法将Pt或其他金属还原。
该方法缺点是难以解决将金属催化剂均匀的附载在活性炭上以及共沉积过程中各组分金属含量的控制。
3.3气相还原法Pt的化合物被浸渍或沉淀在活性炭上后，干燥、氢气高温还原获得Pt/C催化剂。
该方法制得的金属粒子较小，一般在1.0-1.5nm之间。
3.4凝胶-溶胶法将Pt制成Pt溶胶吸附在活性炭上，可以得到分散性较好的Pt/C催化剂。
该法优点是值得的催化剂性能较好，缺点是难以控制胶体粒子的大小和保持胶体粒子的稳定性。
除上述四种方法外，还有离子交换法、气相沉积法等，在此不一一介绍。
4 催化剂中毒机理由于甲酸在Pt催化剂表面解吸附，形成一系列表面吸附物种，因此，很有可能是其中一种（或多种）中间物种，如CO在Pt的表面形成了强烈的吸附，封锁了Pt催化剂的表面活性位置，阻止了甲酸的解离吸附，从而造成催化剂的中毒。
以前，电化学研究认为中毒物种是CO ads或COH ads。
但用现场红外光谱方法检测后，确认中毒物种是CO ads。
CO可以以两种方式吸附在Pt的表面，一种是线性吸附，其红外光谱峰在2060cm-1处，一种是桥式吸附，在1850-1900cm-1处产生吸收峰。
研究表明[5]，线性吸附的CO是导致催化剂中毒的主要原因，因为线性吸附的CO强烈地吸附在Pt表面，从而阻止了甲酸进一步的解离吸附和氧化，而桥式吸附的CO在Pt表面吸附较弱，不易使Pt中毒。
当Pt附近有能吸附OH的金属或金属氧化物存在时，可以促进吸附在Pt上的CO氧化，从而可以有效地减少中毒现象。
5 催化性能的影响因素5.1催化剂粒子的大小对催化剂性能的影响从理论上讲，在指定反应物和催化剂的情况下，为了提高催化活性，必须增加催化剂的比表面积，即要减小Pt粒子的大小。
以前的研究认为粒子越小，催化剂表面积越大，催化剂拥有更多的活性中心，应该对有机小分子的电催化氧化更为有利[6]。
但是Parmigiani[7]等人利用XPS的研究发现，当Pt粒子太小时，Pt 粒子不稳定，容易发生氧化。
Takasu等人利用电化学方法研究Pt氧化物的电化学还原时，也发现当Pt粒子越小时，Pt氧化物的还原峰就越负移，这说明Pt粒子越小，其生成的氧化物越稳定。
这表明Pt粒子小容易氧化失去催化活性。
而Pt粒子大，比表面积小，催化活性低，因此Pt粒子大小存在着一个最优化范围。
5.2催化剂的表面形貌对催化剂性能的影响最直接有效的降低Pt载量、提高催化活性的方法，除了通过减小Pt的粒径、提高金属的分散度来增加金属比表面积外，还可以通过增加粗糙度来增加催化剂的比活性中心数目。
表面形貌越粗糙，表面缺陷越多，催化剂颗粒的棱、角、边及缺陷点也相应增多，处在这些位置的原子往往比一般的表面原子具有有更强的解离吸附的能力，能极大地提高催化剂的催化活性。
Morimoto[8]等人研究CO在不同粗糙度的Pt电极上的电化学行为时发现，粗糙度为125的Pt电极表面其解离吸附CO的能力远远高于粗糙度为2.8的Pt电极。
6 甲酸燃料电池阳极催化剂的研究现状6.1非负载型Pt基催化剂在直接甲酸燃料电池的早期发展过程中，Pt基催化剂被广泛应用为阳极的催化材料。
在首例DFAFC的报道中，WEBER等[9]发现Pt黑和Pt/Ru催化剂都表现出更高的电催化氧化活性，同时，Pt/Ru催化剂比Pt黑的催化活性更高. 虽然取得了上述结论，但是直接甲酸燃料电池的发展却似乎停滞不前，直到2002年，伊利诺斯大学的研究小组再次报道了直接甲酸燃料电池作为小型便携式化学电源的可行性及其优越的性能[10],才使得DFAFC的研究再次得到了人们的重视。
鉴于在首例DFAFC中出色的性能，Pt基催化材料开始广泛地被研究者关注，并且逐渐变为DFAFC的重要催化剂材料。
此后, Pt/M型的双金属催化剂被相继报道[11]。
在Pt的基础上加入第二种金属，不但减少了贵金属的用量,而且还能够大大增加催化剂对于甲酸电化学氧化的催化活性。
近年来，Pt/Ru[12]，Pt/Au[12]，Pt/Sb[13]，Pt/Pb[14]等两元金属催化剂都有相关研究，并且这些掺杂或者合金金属的作用机理也在进一步探索中。
WASZCZUK等人[15]通过共沉积的方法合成了一系列的Pd 或者由Ru修饰的Pt纳米颗粒。
通过研究发现，Pt表面修饰Pd后表现出了最高的催化活性,两种金属的存在都能极大地提高Pt对于甲酸的催化活性。
其中，Pt/Pd催化剂在较高工作电位的催化活性最高，而Pt/Ru在较低的电位表现出最高的电流密度70mW·cm- 2。
各种催化剂在衰减的性能上也有所不同，Pt/Ru的衰减最快,而Pt/Pd在经历了初期较快的衰减后，逐渐进入一个较平稳状态。
THOMAS和MASEL 等人的研究表明[16]，随着Pt电极上Pd覆盖度的增加，甲酸的脱氢反应能力随之下降,从而更加倾向于通过直接路径进行反应；而Ru的掺杂却抑制了直接路径的反应，但通过氧化活化间接路径中的CO，可使整个催化剂的催化氧化活性增加,而在Pd /Pt中却不存在这样的双金属协同效应,因而催化活性的提高是由降低CO的毒化造成的。
CHOI等人[17]通过化学还原方法,制备了非附载型的Pt/Au 合金，研究了其作为直接甲酸燃料电池阳极催化剂的催化活性。
通过研究发现，与Pt/Ru相比，Pt/Au催化剂表现出了更高的催化活性，而且催化的稳定性也得到了明显提高,由此认为Pt/Au上的甲酸氧化过程主要是通过甲酸脱去氢气的直接路径进行的。
6.2非负载型Pd基催化剂2004年以来，科学家对于Pd基催化材料电催化氧化甲酸进行了大量的研究。
首次采用Pd取代Pt作为DFAFC的阳极催化材料，同Pt基催化剂相比,Pd在室温及更高温度下都表现出了更高的电流密度。
但Pd黑催化剂的催化性能随着工作时间的增加明显下降，而这种催化活性的衰减可以通过简单的电位活化得到恢复。
同样，CHOI等人[18]还研究了工作时间，以及温度对DFAFC中Pd阳极、Pt/Ru阳极、DMFC中Pt/Ru阳极、氢燃料电池的影响。
他们发现，Pd阳极催化剂不仅表现出比DFAFC以及DMFC中Pt/Ru阳极催化更高的能量密度，而且几乎接近氢燃料电池。
但Pd阳极催化剂的催化活性衰减是一个很严重的问题，特别当甲酸的浓度提高时，这种趋势尤为明显。
6.3负载型Pt基及Pd基催化剂由于高比表面积碳材料的高导电性、化学稳定性,以及低成本等特殊性质，使其能广泛应用于不同的金属阳极催化剂的负载材料，从而可以降低贵金属的载量，并且降低整个燃料电池的成本。
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直接甲醇燃料电池阴极催化剂关键技术研究进展摘要直接甲醇燃料电池技术是实现清洁能源的一个重要途径，其关键问题之一是阴极催化剂的选择性调控，即提高氧还原活性和抑制甲醇氧化。
综述了近年来直接甲醇燃料电池阴极关键技术的研究进展，从催化剂的组成、制备方法及活性位三个方面进行了综述。
关键词直接甲醇燃料电池氧还原电催化关键技术Advance In key Techniques of Cathodic Catalysts For Direct Methanol Fuel CellAbstract Direct methanol fuel cell is an important route to realize clean energy. The key point is the control of catalyst selectivity, that is to say how to suppress Methanol oxidation and to improve Oxygen reduction activities. This paper reviews the development of key techniques in research on cathodic catalysts for DMFC, namely composition, preparation method and active sites of catalysts.Keywords DMFC; Oxygen reduction; electrocatalysis; key technique0.引言1839年，英国的William Robert Grove发现了用H2和O2为原料，Pt为电极产生电的方法（简称燃料电池）。
1896年，William W. Jacques实现了具有应用能力的燃料电池[1]。
1990年，美国南加州大学同美国宇航局喷气推进实验室联合发展了直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC）[2], 直接以甲醇燃料供给来源，在阳极氧化为二氧化碳和氢，无需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电[3]。
直接甲酸燃料电池的研究进展
Ｄ０Ｉ １ ． ７ ４ Ｓ Ｊ １ ９ ． ０１ ． ０ ２ ： ０ ３ ２ ／ Ｐ． ． ０ ５ ２ ０ ９ ７ ６
以氢气为燃料的质子交换膜燃料 电池（ Ｅ Ｆ ） Ｐ Ｍ Ｃ 被普遍认为是有发展前途 的燃料电池 ， 许多公 司和 研究组长期以来一直致力于 Ｐ Ｍ Ｃ的研发 ， ＥＦ 然而 Ｐ Ｍ Ｃ存在一些不易克服的问题 ， ＥＦ 如价格高 、 无合适 的氢源、 零度以下结冰和寿命短等， 因此一直未能产业化¨ 。于是又开始研究 以液体燃料 甲醇代替氢 气作燃料的直接 甲醇燃料电池（ Ｍ Ｃ ， Ｄ Ｆ ） 但是经过 ２ ０年左右 的研究 ， 步发现 Ｄ Ｆ 逐 Ｍ Ｃ也存在一些重大 的问题 ， 甲醇不易电催化氧化 、 如 容易透过 Ｎ ｔｎ膜而使 电池性能下降、 ａｏ ｉ 有毒等 ， 使研发受到限制 。 ４。 由于 Ｐ Ｍ Ｃ和 Ｄ Ｆ ＥＦ Ｍ Ｃ的上述缺点， 使得最近几年人们对用 甲酸代替甲醇作燃料的直接 甲酸燃料 电池 （Ｆ Ｆ ） Ｄ Ａ Ｃ 的兴趣逐渐增加 ， Ｆ Ｆ Ｄ Ａ Ｃ有很多优点 ， 如甲酸无毒 ， 被美国食 品局和药 品监督管理局列为 安全的食品添加剂川 ； 甲酸不易燃 ， 存储和运输安全方便 ； 甲酸的电化学氧化性能 比甲醇好很多 ； 甲 用 酸作燃料时 ， 甲酸的浓度可高达 １ ｏ Ｌ 而甲醇的最佳浓度在 ２ｍ ｌ ０ｍ ｌ ， ／ ｏ Ｌ左右。 ／ 因此 ， 虽然 甲酸的能量密 度 为 ６２４×１。 ／ ｇ约是 甲醇的 １３ 但 由于 甲酸使用 的浓 度 比 甲醇 高 ５倍左 右 ， 以 Ｄ Ｃ Ｃ的能 量 ．６ ０Ｊ ｋ， ／， 所 ＡＦ 密度 反 而 比 Ｄ Ｆ Ｍ Ｃ高 ３倍左 右 ； 甲酸是 一种 电解 质 ， 利于 增加 阳极 室 内溶 液 的质子 电导率 。由于质 有 子交换膜中的磺酸基团与甲酸阴离子间有排斥作用 ， 因此， 甲酸对Ｎ ｔ ｎ 的渗透率 比甲醇小一个数量 ａｏ膜 ｉ 级 ； Ｆ Ｆ Ｄ Ａ Ｃ比 Ｄ Ｆ Ｍ Ｃ有更高的电动势¨ 甲酸的电化学氧化可通过直接途径进行 ， 以催化剂不易 ； 所
直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题
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燃料电池催化剂的研究及应用
燃料电池催化剂的研究及应用随着能源危机的日益严重，替代传统石化能源的清洁能源更加受到各国政府和企业的重视。
燃料电池是一种利用化学能对外输出电能的新型能源技术，具有高效、环保、安全等优点，被认为是未来可持续发展的主要方向之一。
作为燃料电池的核心部件，燃料电池催化剂的研究及应用具有重要意义。
一、燃料电池催化剂的作用燃料电池催化剂是指能促进燃料电池反应过程的一类物质，常见的有铂族金属、过渡族金属等。
燃料电池催化剂在燃料电池中的作用是使电化学反应快速进行，同时也能防止电化学反应中的副反应。
例如，燃料电池中经常使用的质子交换膜燃料电池，其产生电能的反应为氢气和氧气在催化剂的作用下，通过电解水反应产生水和电能。
其中催化剂的作用是将水分解反应的速度加快，同时也防止了氧气和氢气自行反应造成的火灾。
二、燃料电池催化剂的分类燃料电池催化剂可分为非贵金属催化剂和贵金属催化剂两种类型。
1. 贵金属催化剂贵金属催化剂以铂族金属为主，因其催化性好，电化学稳定性高被广泛应用。
但其生产成本高，且资源有限，制约了其在大规模应用中的发展。
2. 非贵金属催化剂与贵金属催化剂相比，非贵金属催化剂具有成本低、催化性能稳定等优点。
常见的非贵金属催化剂材料有碳材料、金属氮化物、钼、钴、铁等元素。
近年来，非贵金属催化剂得到了广泛关注，在燃料电池领域中的应用也日益增多。
三、燃料电池催化剂的研究进展燃料电池催化剂的研究领域包括催化剂合成、催化剂负载、催化剂表面结构等。
研究者们致力于寻找低成本、高效率的替代铂族金属的催化剂，并优化催化剂的结构，提高催化剂的稳定性。
1. 铂族金属催化剂的优化目前，铂族金属催化剂合成工艺已经相当成熟，在负载、表面改性等方面的研究也日益深入。
研究人员正在尝试通过优化合成工艺，改变催化剂晶体结构等方法，提高铂族金属催化剂的催化活性和选择性，同时延长其使用寿命。
2. 非贵金属催化剂的研发非贵金属催化剂因其成本低、催化性能稳定等优点，越来越受到研究者们的关注。
直接甲醇燃料电池(DMFC)改性阳极催化剂的研究进展
２ ０ 年 ３月 ０７
工 业 催 化
Ｉ ＤＵｓ ＲＩ Ａ Ｌ Ｉ Ｎ Ｔ ＡＬ Ｃ ＴＡ ＹＳ Ｓ
Ｍａ ．２ ｏ ｒ Ｏ７ Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ３ １１ ．
第１ ５卷 第 ３期
直接 甲醇 燃 料 电池 （ ＭＦ 改性 Ｄ Ｃ） 阳极 催 化 剂 的研 究进 展
颜 大志， 祁争健 ， 孙岳 明， －东 冯ｐ ＿
（ 南 大学化 工 系， 苏 南 京 ２０９ ） 东 江 １０６ 摘 要： 介绍 了国 内外直接 甲醇燃 料 电池 （ ＭＦ 的研 究状 况及 其 工作原 理 ， Ｄ Ｃ） 阐述 了 Ｄ Ｃ阳极 改 ＭＦ
性催 化 剂的作 用机理 ， 重点 对 目前 国 内外研 究 的各 种 改性催化 剂体 系进 行 了比较和评 价 ， 讨 了电 探
ptruc催化剂的催化活子上发生脱氢反应脱掉与c直接相连的3个氢生性受多种因素影响还原环境对催化剂的性能影响成中间产物ptcoh然后ptcoh在一个pt原子上1933比较显著vandamhe等研究了hptcl还原26形成吸附的choad再在pt原子表面经过重排最2机理认为空气中的o不利于ptcl还原因而热26后形成吸附的coad而加入的第二金属ru由于处理可以提高催化剂合金比程度提高其性能同时其容易吸附含氧物种且具有未充满的d轨道从而还原剂的加入顺序对催化剂性能也有一定影响
Ｄ Ｃ电解 质 的选 择 可 以 是 碱 性 ， Ｋ Ｈ 和 ＭＦ 如 Ｏ
ＮＯ ａ Ｈ等 ， 也可以是酸性 ， Ｈ Ｓ 等， 由于 甲醇 如 Ｏ 但 电催化产物 Ｃ Ｏ 在碱性 溶液 中易生成 溶解 度小的 碳酸盐 ， 故一般使用酸性电解质 。理论上 Ｄ Ｆ Ｍ Ｃ的 Ｅ ＝ ．８Ｖ， 。 １１ 能量转换效率为 ９ ． ８ Ｊ ６ ６ ％ 。但实 际 上存 在 因 电池 内部 电阻 引起 的 欧姆 损 失 ， 成 造 Ｄ Ｆ 实际输 出电压远小 于理 想 电池 标准 电压 。 ＭＣ 目前 ，ＭＦ Ｄ Ｃ主 要 面 临 甲醇 电 氧化 催 化 剂 活性 不高、 交换电流密度低和阳极氧化中间产物（ Ｏ ａ Ｃ ）ｄ 等对阳极催化剂的毒性作用 ， 造成催化剂 中毒失活 ， 并 由此产生较大过 电位等难题。因此 ， 寻找一种既 有高效 甲醇氧化能 力， 交换 电流密 度至少 大于 使 １ 一 ・ｍ 又能减少 中间产物对催化剂 的毒性 ， ０ Ａ ｃ ～， 使电池运行千小 时电压 降小 于 ｌ Ｖ 的催化剂 ０ｍ 成为 Ｄ Ｆ Ｍ Ｃ研究 的热 点 。
直接甲醇燃料电池阳极抗CO催化剂的研究进展
ｐａ ｉ ｕ ｃ ｔｌ ｓ ｌｔ ｍ ａ ａｙ ｔ ｎ
直 接 甲 醇 燃 料 电 池 （ ｉ ｃ ｅｈｎｌｆｅ ｃｌ Ｄｒ ｔｍ ｔａｏ ｕ ｌ ｅ ， ｅ ｌ
着将 直 接 甲醇燃 料 电池组 应 用到便 携 式产 品 进程 的 加快 ， 就要求 Ｄ Ｃ在室 温 和常压 下使用 ， 电催 这 ＭＦ 对 化剂 的性 能提 出更 高的要 求 ［ 卜引。 作者着 重介 绍 铂 基 合金 催 化 剂 、 铂基 钙 钛 矿类 催 化剂 和非 贵金 属 催 化 剂 开 发这 ３方 面 ， 点 综 述 重 了 Ｄ Ｃ中阳极催 化 剂 的研 究进 展 ， ＭＦ 以期 对 开发 高 活性 甲醇 阳极 氧 化 电催 化 剂有所 帮助 。
Ｒｅ ｅ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆＣａ ｂ ｎ ｏ ｏ ｉ ｌ ｒ ｎ ｔ ｌ ｓｓ ｆ ｒ Ｄｉｅ ｔＭ ｅ ｈａ ｏ ｓ ａｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓｏ ｒ ｏ Ｍ ｎ ｘ ｄｅ Ｔｏ ｅ ａ ｔ Ｃａ ａ ｙ ｔ ｏ ｒ ｃ ｔ ｎ ｌＦｕｅ ｌ ｌＣｅｌ
ＳＵＯ Ｃｈｕ ｕａ ｇ，ＺＨＡＯ ａ ｕ ｎｇ，ＺＨＡＮＧ ｎｇ，ＬＩ Ｘｉ ｏ ｉ ｎｇ ｎ Ｘｉｏｇ ａ Ｐｅ Ｕ ａ ｗｅ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｆ ｎｇ ｅ
（Ｍ Ｍ ｅ ｔ ， ａｂｎＩｓｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｈ ｂｎ ｅｏ ｇａ ｇ１００ ，Ｃ ｉａ Ｅ ＳＣ ｎｅ Ｈ ｒｉ ｎｔｕ ｆ ｃ ｎｌ ｙ ａ ｉ，Ｈ ｉｎ ｉ ｎ ５０ １ ｈｎ ） ｒ ｉｅ Ｔ ｏ ｒ ｌ ｉ
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燃料电池的原理和研究进展
燃料电池的原理和研究进展燃料电池是一种新型电化学能源转换设备，通过将氢气或含氢化合物与氧气反应，产生电能的同时释放水和热能。
它被认为是未来能源的一个重要方向，因为它具有高效、环保、可再生等特点，并能在移动设备、汽车、船舶等多个领域得到广泛应用。
本文将介绍燃料电池的原理和研究进展。
一、燃料电池的原理燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。
它的基本原理是氢气或含氢化合物与氧气在催化剂的帮助下发生氧化还原反应，产生电流和水。
燃料电池通常包括四个主要部分：正极、负极、电解质和催化剂。
电极通常是由铂、铑等贵金属制成的，以提高化学反应速率。
在电解质中，离子与电子之间发生传递，产生电荷变化，形成电流。
而催化剂则作为化学反应的催化剂，在化学反应中起到加速反应的作用。
不同种类的燃料电池有着不同的原理。
例如，质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用质子交换膜作为电解质，氢气通过阳极加入，与催化剂反应产生电流；同时氧气通过阴极加入，在与阳极产生的质子结合后产生水。
固体氧化物燃料电池（SOFC）则采用固态氧化物作为电解质，在高温下实现有氧氧化反应。
二、燃料电池的研究进展燃料电池的研究始于19世纪，但至今仍面临着许多技术难题。
主要问题在于制造成本高、催化剂活性不高、寿命短、燃料电池使用过程中会产生二氧化碳等有害气体等。
近年来，关于燃料电池的研究也取得了一系列的突破。
1、芳香性单体复合材料催化剂芳香性单体复合材料是一种新型有机-无机材料，可用于燃料电池的催化剂。
研究人员发现，该材料的催化活性是传统的铂催化剂的2.5倍以上，而制造成本却只有其一半。
这一技术突破，为新能源领域的可持续发展提供了更为广阔的空间。
2、高效金属有机框架材料金属有机框架材料（MOF）是一种由金属离子和有机配体组成的陈列结构材料。
研究人员发现，该种材料能够作为燃料电池催化剂，具有优异的催化活性和稳定性，能够提高燃料电池的效率与使用寿命。
此外，该种材料通过合成方法可以进行精确控制，还具有高比表面积和可控的孔结构等特点。
燃料电池催化剂改性技术发展现状和挑战
燃料电池催化剂改性技术发展现状和挑战燃料电池作为一种新兴的清洁能源技术，被广泛应用于车辆动力、绿色能源等领域。
其中，催化剂是燃料电池中起关键作用的组成部分，其性能直接影响着燃料电池的效能和可持续性。
随着对燃料电池系统不断提高的要求，燃料电池催化剂的改性技术不断发展，以提高催化活性、耐久性和成本效益。
本文就燃料电池催化剂改性技术的现状和面临的挑战进行探讨。
一、燃料电池催化剂改性技术的现状当前，改性燃料电池催化剂技术主要有合金化、支撑剂改性和掺杂等。
合金化是指将两种或多种金属催化剂简单地合成一种材料，以提高其电化学活性。
例如，Pt和其他金属（如Co、Ni等）的合金化可以增加活性位点的数量，提高催化剂的电导性和稳定性。
支撑剂改性是将金属催化剂负载在具有高表面积、孔隙结构和化学稳定性的支撑材料上，以增加催化剂的活性和稳定性。
掺杂是指将一种或多种杂质元素引入催化剂中，以调控其电子结构和表面活性。
这些技术在改善燃料电池催化剂的性能方面发挥了重要作用。
目前，Pt基催化剂仍然是燃料电池最常用的催化剂，但其高昂的成本限制了燃料电池的商业化应用。
因此，降低催化剂成本是目前改性技术的主要研究方向之一。
一种常见的策略是减少Pt含量，同时改善催化剂的活性和稳定性。
为此，研究人员发展了许多非贵金属催化剂，如过渡金属和合金化过渡金属氮化物。
例如，过渡金属卟啉化合物在燃料电池催化剂中的应用受到了广泛关注。
此外，金属有机框架材料也被认为是一种有潜力的Pt替代材料。
二、燃料电池催化剂改性技术面临的挑战尽管燃料电池催化剂改性技术取得了显著进展，但仍然存在一些挑战。
首先，改性催化剂的活性和稳定性问题仍然是研究的热点。
改性催化剂在燃料电池中需要具备良好的催化活性和长期稳定性，以满足实际应用需求。
尤其是在高温、高压、高湿度等恶劣环境条件下，催化剂容易发生聚集、脱落和失活等问题。
因此，如何提高改性催化剂的耐久性仍然是一个亟待解决的问题。
其次，改性催化剂的制备工艺和成本问题亟需解决。
基于氮掺杂纳米碳材料的直接甲醇燃料电池催化剂的研究进展_张文耀
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１ 氮掺杂纳米碳材料的制备方法
实现氮原 子 在 纳 米 碳 材 料 中 的 掺 杂 ， 目前主要 ： ， 有 ２ 类方法 原位 掺 杂 和 表 面 掺 杂 如 图 ２ 所 示 。 原 位掺杂是指 利 用 含 碳 及 含 氮 的 复 合 物 为 前 驱 体 ， 直 氮复合 材 料 ； 而表面掺杂是以纳米碳材 接生长成碳 、 料为基体 ， 通过表面 刻 蚀 、 功能化等方法实现氮原子 在其表面的掺杂 。
能量效率 直接甲 醇 燃 料 电 池 具 有 操 作 温 度 低 、 高、 无电解质腐蚀 、 污染排放少及燃料便于运输等优 点， 在 交 通 运 输、 便 携 式 电 子 设 备、 洁净电站等方面 ［ ］ １ ３ － 。直接甲醇燃料电池的结 都有广泛 的 应 用 前 景 构如图 １ 所示 。 直接 甲 醇 燃 料 电 池 可 以 将 液 体 燃 料 的化学能直接转换 为 电 能 ， 不 通 过 热 机 过 程， 不受卡 诺循环的限 制 ， 从而显著减少能量在转换过程中的 损失 ， 提高转换效 率 。 此 外 ， 甲醇氧化反应的最终产 物为水和二氧化碳 ， 对 环 境 无 污 染， 十分符合环保减 排的要求 。 但 是 作 为 一 种 新 型 的 能 量 转 换 系 统 ， 其 研究与应用尚处于 起 步 阶 段 。 目 前 制 约 着 直 接 甲 醇 燃料 电池商业化进程的主要障碍是其高昂的制备成 本， 以及甲醇缓慢的 氧 化 动 力 学 反 应 速 率 ， 而解决这 １， ４］ 。 些问题的关键在于寻找合适的电极催化剂材料 ［
直接甲醇燃料电池用抗CO电催化剂研究进展
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第 ３ ５卷 第 ３期
２０ ０ ７年 ６ 月
浙 江 工 业 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＩ ＯＦ Ｚ Ｅ Ｉ Ｈ ＪＡＮＧ ＮＩ Ｕ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ ＯＦ ＴＥＣＨ ＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ３ １３ ．
Ｊ ｎ ２０ ｕ． ０７
中图分 类号 ： Ｍ９ １ ４ Ｔ １ ． 文献 标识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ６４ ０ （ ０ ７ ０ —２ ５０ １ ０ —３ ３ ２ ０ ） ３０ ５ —７
Ｔｈ ｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ｆｃ ｒ ｏ ｏ ｘ ｄ ｏ ｅ ａ ａ ａ ｙ ｔ ｏ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎｔｏ ａ ｂ ｎ ｍ ｎｏ ｉ ｅ ｔ ｌ ｒ ｎｔｃ ｔ ｌ ｓ ｓ ｆ ｒ ｄｉ ｅ ｔｍ ｅ ｈ ｎｏ ｕ ｌｃ ｌｓ ｒ ｃ ｔ ａ ｌｆ ｅ ｅ ｌ
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