燃料电池中催化剂的研究进展
２０１ １年第１期 新疆化工 １ ５
燃料电池中催化剂的研究进展
张锐显
（新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所。乌鲁木齐８３００９１）
摘要：对近年来低温燃料电池用担载型金属纳米催化剂的合成及其电化学性能作了回顾；综述了不同
的贵金属及其合金（如Ｐｔ，Ｐｔ—Ｒｕ等）催化剂制备方法以及新型碳纳米材料作为催化剂载体的研
究进展；对该领域今后的发展作了展望。
关键词：燃料电池；；催化剂；纳米颗粒；担载型；栽体
１ 引言
诸多燃料电池技术中，使用质子交换膜的低
温燃料电池，包括以氢气、氧气为燃料的氢一氧燃 料电池（ＰＥＭＦＣ）和直接使用液体甲醇为燃料的直
接甲醇燃料电池（ＤＭＦＣ），工作温度在６０℃一
１００℃，具有环境友好、无污染、低温起动快的优
势，作为汽车及便携电子产品的替代电源，近年来
备受研究者的关注。ＰＥＭＦＣ的基础研究中电催化 剂的研究和开发是提高ＰＥＭＦＣ能量输出效率、降 低成本的关键问题 Ｊ。ＰＥＭＦＣ的关键部件为电
催化剂、电极（阴极与阳极）、质子交换膜和双极 板【２】。近几年来，导电载体担载高分散的贵金属
Ｐｔ及其合金通常被用作氢气／甲醇氧化或氧气还 原的电催化剂研究重点。
２担载型催化剂纳米粒子的制备
纳米金属粒子被广泛应用于催化剂、磁性半 导体和光学材料等很多领域。总体说来，纳米金
属粒子合成主要有两种策略：“从上至下”（从宏观 量级到纳米粒子）与“从下至上”（从微观的分子
离子到纳米颗粒）制备。
２．１浸渍还原法（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）
浸渍还原法是将载体在一定的溶剂如水、乙
醇、异丙醇及其混合物等中分散均匀，选择加入一 定的贵金属前驱体如氯铂酸（Ｈ：ＰｔＣ］６・６Ｈ：０），三
氯化钌（ＲｕＣＩ ）等浸渍到载体（如炭黑）孔内，调节
至合适的ｐＨ值，在一定的温度下滴加过量的还原
剂如ＨＣＨＯ、ＨＣＯＯＮａ、Ｎａ２ＳＯ３、ＮＨ２ＮＨ２、ＮａＢＨ４， 得到所需要的担载型金属电催化剂。由液相还原 法制得的催化剂，金属颗粒可以控制在几个纳米
左右。因为金属离子还原后，金属晶种的聚集长
大过程主要由炭黑的孔道限制，故炭黑的形貌与 孔结构对金属颗粒尺寸大小起着至关重要的作
用，溶剂、ｐＨ值、反应温度等制备条件决定晶种的 多少与成核速率，进而影响催化剂颗粒大小与粒
径分布。因此，优化制备条件也十分关键。同时
为了增进金属颗粒在载体炭黑上均匀分散，可采
用乙醇或异丙醇水溶液为溶剂，或者将ＸＣ一７２炭 黑氧化处理以增进其亲水性。
前驱体溶液经常采用Ｈ：ＰｔＣ１ ，其反应机理如
下：
［ＰｔＣ１６］ 一＋２ＨＣＨＯ＋２Ｈ２０＝Ｐｔ＋２ＨＣＯＯＨ＋
６Ｃ１一＋４Ｈ 或
［ＰｔＣ１６］ 一＋２ＨＣＨＯ＝Ｐｔ＋２Ｃ０２＋４ＨＣ１＋２ＣＩ２ 浸渍法制备的催化剂的颗粒分布和粒径受多
种因素影响，如载体的预处理、反应温度、反应体
系的浓度、还原剂等。总的来说，浸渍法方法简
单，可以大规模制备 。 ２．２胶体法（ｃｏｌｌｏｉｄａｌｍｅｔｈｏｄ）
胶体法是在特定的溶剂中，先将催化剂的贵 金属前驱体（可以为多组分）制备为金属胶体，然
后吸附或沉积到碳载体上；或者是形成特定的贵
金属氧化物胶体，然后还原并同时吸附于碳载体
上，从而制备出碳载金属催化剂。胶体制备体系
中常加人有机大分子作保护剂，以稳定高度分散
的金属纳米胶体并控制金属颗粒尺寸。由于胶体 制备与担载分离，催化剂的担载量仅决定于载体
炭黑的加入量，故该方法在高担载量下仍能获得
非常高的金属分散度。采用聚合醇（如聚乙二醇 １ ６ 新疆化工 ２０１１年第１期
等）为溶剂，在高分子（如ＰＶＰ）空间效应的保护条
件下同样可以制备多种贵金属、贵金属合金甚至
贵金属一过渡金属的纳米胶体。
２．３微溶胶法（ｍｉｃｒｏｅｍｕｌｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ）
该方法通过将包含不同金属前躯体的表面活
性剂形成的微溶胶相混合，利用还原剂如水合肼
还原，并吸附于炭黑上，去除表面活性剂即可得到
担载型金属催化剂。由于还原反应被控制在表面
活性剂包裹的含有前躯体的微小直径在几个到几
百个纳米液滴中，相当于纳米级反应器，所以金属
颗粒大小均匀可调且尺寸分布很窄。通常的分散 液相为水一油形成的连续相，有时会加入另一种
表面活性剂以调变微溶胶的大小，超临界ＣＯ 也
被用来作为连续相的介质，并且极易分离。混合
双组元的微溶胶可以制备出混合金属如Ｐｔ—Ｒｕ
的纳米颗粒，并且可自由地调节混合金属的比例
并同时控制金属颗粒大小。和胶体法相似，微溶
胶法同样需要价格较贵的表面活性剂与特别的洗 涤步骤，因此也不适宜大规模合成。
２．４羰基络合物法（ｃａｒｂｏｎｙｌｃｏｍｐｌｅｘｍｅｔｈｏｄ） 羰基络合物法是将金属前驱体由金属氯化
物／氯酸转化为其羰基化合物，并按所需比例混
合，在高沸点的溶剂中分解并沉积于碳载体上。
该方法具有合成路线简单，多组分催化剂制备可 行，不含催化剂毒物Ｃｌ离子等优点。’
分布均匀的纳米级贵金属一贱金属合金粒子
是双金属纳米颗粒合成的难题之一，因为贵金属
与贱金属的氧化一还原电位相差较大（贵金属易
还原），不易同时还原。通常采用的策略是将贱金
属以氢氧化物沉积在Ｐｔ／Ｃ上，高温条件处理得到 合金，但一般参与合金化的贱金属不到７０％，未参
与合金的贱金属如ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等会与质子交换膜
中的氢发生离子交换而降低其质子传导性能，降
低燃料电池的输出功率。
２．５单分子源法（ｓｉｎｇｌｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｐｒｅｃｕｒｓｏｒｍｅｔｈｏｄ）
单分子源法将含有双组元如Ｐｔ—Ｒｕ有机大
环化合物分子的前驱体，担载于炭黑载体上，通过
热处理得到Ｐｔ—Ｒｕ／Ｃ双组元催化剂。该方法制
备的Ｐｔ—Ｒｕ合金化程度高，但是前驱体不易获
得，制备繁复是其致命缺点。
３新型碳载体
适宜的低温燃料电池催化剂载体应具备良好
的电子传导能力、较大的比表面积、合理的孔结构 （具有较多的中孔比例，满足反应气体产物的传 质），以及优异的抗腐蚀性等特点。多壁碳纳米管
的发现引发了各种新型碳纳米材料的研究热潮。
与传统的炭黑载体材料相比，碳纳米管中电子转
移的动力学行为最好，接近能斯特方程，故新型纳
米碳材料作为潜在的低温燃料电池催化剂载体引
起研究者的极大兴趣。
３．１碳纳米分子筛（ＣＮＭＳ）
碳纳米分子筛是一类具有规则纳米孔道结构
的碳材料。其基本制备思路是将大分子的糖类或
醇类浸渍于以中孔氧化硅分子筛为模板剂的孔道 中，利用硫酸为催化剂将其转化为碳骨架，再利用
ＨＦ将模板去除，完成孔道碳骨架与分子筛硅铝骨
架的转换，从而制备出可以控制孔道结构的碳纳
米分子筛。碳纳米分子筛作为催化剂载体，由于
其较大的比表面积及均匀的三维孑Ｌ道，对于燃料
电池尤其是需要高贵金属担载量的直接甲醇燃料
电池显示了极好的应用前景。
３．２碳纳米管（ＣＮＴＳ） 碳纳米管由石墨卷曲形成，分为多壁、单壁
管，管径一般在２—４０ｎｍ，可以通过电弧放电，化
学气相沉积（ＣＶＤ），催化法甚至激光辐射制备。
碳纳米管及其衍生纳米材料具有独特的管状结构
和由连续的ｓｐ 杂化提供的独特的电子特性，使其
与表面负载的金属活性相产生一种特殊的载体一
金属相互作用。应用从头计算方法与密度泛函理
论（ａｂｉｎｉｔｉｏ，ｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｈｈｅｏｒｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ），并
通过分子动力学模拟计算，研究氧气在多壁碳纳
米管的解离吸附及电子转移过程，发现ＭＷＮＴｓ中
弯角的五边形及表面六边形缺陷是ＭＷＮＴｓ的
ＯＲＲ活性提高的主要原因。以多孔氧化铝
（Ａ１ Ｏ，）膜为模板，采用化学气相沉积碳源于铝膜
内制备得孔结构规整的管径２００ｎｍ、壁厚２０ｎｍ的
碳纳米膜管（ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｕｌｅｍｅｍｂｒａｎｅ，ＣＮＴＭ），
将其作为潜在燃料电池催化剂载体的工作首先被 报道。
３．３碳纳米纤维（ＧＮＦ）
通过烃类解离吸附于催化剂表面，碳原子在
不同的金属催化剂的晶面沉积可以制备碳纳米纤
维。碳纳米纤维管径一般大于６０ｎｍ，具有优异的
导电性和独特的物理化学性质，成为理想的电催
化剂载体材料。Ｂｅｓｓｅｌ等利用浸渍法制备了不同
形貌如盘形（ｐｌａｔｅｌｅｔ）、带形（ｒｉｂｂｏｎ）、鲱骨形（ｈｅｒ－
ｒｉｎｇ—ｂｏｎｅ）的ＧＮＦ担载Ｐｔ催化剂，这些催化剂的
Ｐｔ粒子在ＨＲＴＥＭ观察下呈扁的高度晶体化的结
构，表明金属一载体具有很强的相互作用。
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３．４其他碳材料
Ｐａｒｋ等制备了直径为５—１０ｎｍ的碳纳米盘
（ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｃｏｉｌ，ＣＮＣ），其化学比表面积为３１８ｍ ／
ｇ，通过ＸＲＤ观察该碳纳米盘的石墨衍射峰强于
ＸＣ一７２炭黑，表明其具有更好的电子传导特性。
４纳米颗粒的结构、催化机理
理论与实验研究均表明纳米尺寸的金属颗粒
与大块金属性质差异很大，因此催化剂颗粒尺寸、
结构、电子特性及金属一载体作用对其电催化性能
有很大影响。当前，关于纳米颗粒催化活性的理论
研究仍很活跃，早期的工作集中在表面原子数（比
表面积）、晶相结构与电催化活性的关联。理论计
算工作的困难在于难以得到精确的势能面和有效 的算法寻找最小能量构造。通常是采用半经验计
算方法与嵌入原子方法并采用Ｇｕｐｔａ与Ｓｕｔｔｏｎ—
Ｃｈｅｎ势能，但对于双组元纳米颗粒仍很难处理。
关于贵金属Ｐｔ基催化剂的电催化机理，目前普 遍认为ＰＥＭＦＣ中氧化还原反应是结构敏感反应，
存在最佳粒径，而ＤＭＦＣ中最佳粒径可能更小。催
化剂表面ＣＯ结合的方式主要有两种，即线性ＣＯ
结合和桥式ＣＯ结合。线性ＣＯ结合需在高电势
（６００—８００ｍｙ）下ＣＯ才能被氧化，桥式ＣＯ结合只
需低电势（约５００ｍｖ）就可被氧化。假设ＣＯ吸附取
决于催化剂本身，并通过一个取代反应或自由基进
攻发生，其ＣＯ吸附氧化机理如下式所示。 ２ｃｏ（ｇ）＋２ｎＳ—Ｈ ｎＳ—ＣＯ＋ｎＨ２取代
ＣＯ（ｇ）＋ｎＳ＿÷Ｓｎ—ＣＯ 自由基
Ｓ—Ｈ２Ｏ＋Ｓ—ＣＯ－＋Ｓ＋ＣＯ２＋２Ｈ ＋２ｅ
当ｎ＝１时，为线性ＣＯ结合；当ｎ＝２时，为桥
式ＣＯ结合。合金催化剂抗ＣＯ机理主要是通过
掺人其他金属或金属氧化物改变Ｐｔ的微观结构， 与其发生相互作用，从而达到降低ＣＯ吸附量、氧
化势，使有更多的活性位进行Ｈ：的吸附与氧化。
究竟合金催化剂以何种机理进行，则与催化剂的
性质、组成、制备工艺等条件有关 Ｊ。
目前人们研究最多的非铂系催化剂是过渡金
属大环螯合物类催化剂。自从１９６４年Ｊａｓｉｎｓｉｋｙ
发现酞菁钴分子能有效地催化氧化还原，Ｎ 螯合
物成为酸性溶液中催化还原的研究重点。含有过
渡金属（Ｆｅ，Ｃｏ）的螯合物吸附在高比表面的载体 碳上是一种有前途的催化剂。通过高温热处理可
以大大提高催化剂的长期稳定性。另外人们还研
究了金属羰基化合物、金属陶瓷基化合物以及金 属氧化物作为氧还原催化剂【５ Ｊ。 ５ 结语
近年来，低温燃料电池以其独特的优势得到
研究者的重视，并对电催化剂制备表征技术与新
材料探索方面进行了研究，但是仍有很多研究领
域值得深入探索：
（１）催化剂制备以及结构一电催化性能的关 系研究。今后可能利用或开拓先进的制备技术以
在纳米级层次控制金属颗粒的尺寸及结构。
燃料电池材料实验报告(3篇)
第1篇
一、实验目的
1. 了解燃料电池的基本原理和结构。
2. 研究不同燃料电池材料（如催化剂、电解质等）的性能及其对燃料电池性能的影响。
3. 通过实验，验证理论知识和提高实验技能。
二、实验原理
燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，其工作原理是基于氧化还原反应。燃料电池主要由燃料电极、空气电极、电解质和隔膜组成。在燃料电池中，氢气在燃料电极上发生氧化反应，释放电子；氧气在空气电极上发生还原反应，接受电子。电子通过外电路流动，产生电能。
三、实验材料与设备
1. 实验材料：
- 氢气
- 氧气
- 铂催化剂
- 石墨电极
- 碳纤维纸
- 磷酸氢二铵溶液
- 银网
- 隔膜
- 电解质
- 电池测试仪
- 烧杯
- 烧瓶 - 移液管
- 滴定管
- 电子天平
2. 实验设备：
- 燃料电池测试装置
- 数据采集系统
- 真空泵
- 恒温水浴
- 真空干燥箱
四、实验步骤
1. 准备燃料电池测试装置，包括燃料电极、空气电极、电解质和隔膜。
2. 将铂催化剂涂覆在石墨电极上，形成燃料电极。
3. 将银网涂覆在碳纤维纸上，形成空气电极。
4. 将磷酸氢二铵溶液作为电解质。
5. 将燃料电池测试装置组装好，连接电池测试仪和数据采集系统。
6. 向燃料电极注入氢气，向空气电极注入氧气。
7. 开始实验，记录电池的电压、电流和功率等数据。
8. 重复实验，比较不同催化剂、电解质和隔膜对燃料电池性能的影响。
五、实验结果与分析
1. 实验数据：
| 实验次数 | 催化剂 | 电解质 | 隔膜 | 电压(V) | 电流(A) | 功率(W) |
|----------|--------|--------|------|----------|----------|----------| | 1 | 铂 | 磷酸氢二铵 | 隔膜A | 0.6 | 0.2 |
质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能测试
质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能测试
一、 实验目的与内容
1、 了解质子交换膜燃料电池的工作原理和研究现状；
2、 掌握循环伏安法（CV）和旋转圆盘电极技术（RDE）评价质子交换膜燃料电池铂基电催化剂的电化学性能的基本原理和操作过程；
3、 掌握电化学中三电极体系的基本概念，学会利用CV法测定铂基电催化剂的电化学活性表面积（ESA）；了解极限电流密度的概念，学会通过RDE技术研究铂基电催化剂的氧还原本征活性。
二、 实验原理概述
1、 燃料电池技术进展及工作原理
燃料电池(Fuel Cell)是一种在等温状态下直接将化学能转变成电能的电化学装置。它不同于普通的二次电池，其工作过程是燃料和氧化剂分别在阳极和阴极上发生电化学反应，由电解质传导的离子和外电路的电子构成回路，从而将化学能直接转化成电能。燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，自1839年英国科学家William Grove首次发现氢气在铂黑电极上的电化学氧化现象以来，人们对它的研究已有100多年的历史，但除了用于航天领域外，并未受到广泛关注。自上世纪90年代开始，随着化石能源的枯竭和环境的日益恶化，人们对燃料电池的研究热情也随之高涨，也取得了巨大的进步。目前，全世界约有20多个国家已投入巨额经费用于燃料电池的研究开发，技术处于领先的国家为美国、日本和欧盟，其中美国把燃料电池列为国家发展的27个关键技术之一，《时代周刊》将燃料电池列为21世纪的高科技之首。
燃料电池之所以成为研究热点，主要是基于以下优点：
(1) 能量转换效率高。由于燃料电池反应过程中不涉及燃烧，不经过热机转换过程，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，可高达60-80%。
(2) 环境友好。由于燃料电池是按电化学原理发电，不经过燃烧过程，所以它几乎不排放NOx和SOx和颗粒物，减轻了对大气的污染。而且燃料电池CO2排放量也比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应有重大意义。
厦门大学成功研制甲醇燃料电池纳米催化剂
第７期 申群兵等．负载贵金属的ＨＭＣＭ一５６催化剂上ｃ；重芳烃加氢脱烷基反应 ・７４３・
Ｐａｔ Ａｐｐ１．ＵＳ ２００５００６５０１７．２００５
１３ Ｃｈｏｉ Ｓ，Ｏｈ Ｓ Ｈ，Ｋｉｍ Ｙ Ｓ，ｅｔ ａ１．ＡＰＵ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ
Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＢＴＸ ａｎｄ ＬＰＧ ｆｒｏｍ Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｕｓｉｎｇ Ｍｅｔａｌ
Ｐｒｏｍｏｔｅｄ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｃａｔａｌｙｓｔ．ＣａｍｌＳｕｒｖＡｓｉａ，２００６，１０（２）：１１０～ ｌ１６
１４王士文，廖巧丽，秦永宁．新型Ｃ９～Ｃ】０芳烃脱烷基催化剂的
研究．石油化工，１９９５，２４（１２）：８４９～８５１，９１６ １５石德先，赵震，徐春明等．ＣｒＯ ／ＳｉＯ 催化剂对ｃ 芳烃加氢脱
烷基反应的催化性能．催化学报，２００５，２６（７）：５８２～５８６ ｌ６中国石油化工集团公司，中国石油化工集团公司石油化工科学
研究院．重质芳烃轻质化催化剂及轻质化产物的分离方法．中 国，ＣＮ １２７０９８９ Ａ．２０００
ｌ７中国石油化工集团公司，中国石油化工集团公司上海石油化工
研究院．重质芳烃加氢脱烷基与烷基转移工艺．中国，ＣＮ １２１７３７０ Ａ．１９９９
ｌ８董娇娇，朱瑾，申群兵等．ＭｏＯ３／ＨＺＳＭ一５催化剂上重芳烃加
氢脱烷基反应．石油化工，２００８，３７（３）：２３２～２３７
１９ Ｓｈｅｎ Ｑｕｎｂｉｎｇ，Ｚｈｕ Ｘｕｅｄｏｎｇ，Ｄｏｎｇ Ｊｉａｏｊｉａｏ，ｅｔ ａ１．Ｈｙｄｒｏｄｅａｌｋｙ— ｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ Ｈｅａｖｙ Ａｒｏｍａｔｉｃｓ ｔｏ ＢＴＸ ｏｖｅｒ Ｚｅｏｌｉｔｅ—Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ
Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ ａｎｄ Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ Ｏｘｉｄｅ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ．Ｃａｍｌ Ｌｅｔｔ，２００９， １２９（１～２）：１７０～１８０ ２Ｏ Ｌｉ Ｇｕｏｈｕｉ．Ｈｕ Ｌｉｎｊｉｅ．Ｈｉｌｌ Ｊ Ｍ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｒｅｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎａ—Ｓｕｐｐｏａｅｄ Ｎｉ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｉｍｐｒｅｇｎａ－
氰基加氢还原制备有机胺的研究概述
氰基加氢还原制备有机胺的研究概述
氰基加氢还原法是在催化剂的存在下，将氰基与氢气发生反应，生成胺的一种重要方法。它具有反应条件温和、转化率高、产率优良的优点，是有机合成中制备胺类化合物的重要方法之一。本文旨在系统地介绍氰基加氢还原制备有机胺的研究概述。
1.催化剂的研究进展
铂族金属催化剂是氰基加氢还原反应的主流催化剂。过去只有铂作为催化剂使用，其活性低、价格昂贵是其缺点，近年来研究人员尝试使用其他铂族金属催化剂，如钯、铑等，发现这些新型催化剂具有潜在的应用价值。此外，对铂族金属催化剂的修饰也是提高催化活性和选择性的重要途径。例如，将铂催化剂修饰为纳米颗粒形状，在氰基加氢还原反应中具有更高的催化活性和选择性。
2.反应底物的研究进展
氰基加氢还原反应中，反应底物的选择对反应的效率和选择性具有重要影响。目前，对于芳香族和脂肪族氰基底物，使用铂族金属催化剂实现氢化反应比较容易，但是对含有双键、三键等活性官能团的化合物的氰基加氢还原则需要更温和的反应条件或者更合适的催化剂。因此，近年来的研究侧重于寻找新型的合成方法或合成底物，以提高氰基加氢还原反应的效率和选择性。
3.研究进展的应用
氰基加氢还原法已经被成功地应用于有机合成的各个领域。例如，氰基加氢还原法被应用于药物和农药的合成中，如几内酰胺等已经成为重要的胺类生物碱和重要的药物分子。此外，近年来还有研究将氰基加氢还原反应用于燃料电池的催化剂合成中，在这一领域的研究未来有望产生重要的应用。
总之，氰基加氢还原法是一种有效的有机胺制备方法，其研究进展主要涉及催化剂的研究、底物的研究以及应用领域的拓展等方面。希望本文对该领域的进一步研究与应用有所启迪。
燃料电池的研究进展
。叶晓冬 朱景 杭适富。
接鼻：燃料电池因具有能量转换效率高、污染小的特点 而得到社会广泛重视。本文综述了燃料电池发展的历史和几类 主要燃料电池的研究、应用现状与发展情况。 关■词：燃料电池；能源；环境友好 ■述 ２０世纪所建立起来的庞大能源系统今天已无法适应社会 对高效 清洁、经济、安全的能源体系的要求．能源发展正面 临着巨大的挑战，提高能源的利用率和发展替代能源已成为 ２１世纪的主要议题。 人类社会发展至今．绝大部分能量转化是通过热机过程来 实现的。热机过程受卡诺循环的限制．转化效率低。能源浪费 严重。而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧 化物等有害物质以及噪声。由此造成大气 水质、土壤等污染 问题。严重地威胁着人类的生存环境。 燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转化为低压 直流电的装置。其具有如下特点。 （一）高效 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。 它不通过热机过程，因此不受卡诺循环的限制。在理论上，其 热转化效率可达８５％一９０％。但实际上。电池在工作时由于各 种极化的限制．目前各类电池实际的能量转化效率均在４０％～ ６０％的范围内。 （二）环境友好 燃料电池可选用富氢气体为燃料．富氢气体是通过矿物燃 １４４ 中小企业科技２００７．０５ 料来制取的。在制取过程中．其二氧化ｊ 减少４０％以上。这对缓解地球的温室效 电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其一 电化学原理发电．不经过热机的燃烧过ｊ 氮的氧化物和硫的氧化物．减轻了对大 以纯氢为燃料时．它的化学反应产物仅： 氮的氧化物、硫的氧化物及二氧化碳等自 （三）安■ 燃料电池按化学原理工作。运动部１ 很低。 （四）可行性高 碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运ｉ 行高度可靠．可作为各种应急电源和不 正是由于这些突出的优越性，燃料Ｅ 倍受各国政府与大公司的重视。该技术 首选的洁净、高效发电技术，而其也有 生电能的有效形式。 发■历， 关于燃料电池的研究始于１９世纪 Ｒ．Ｇｒｏｖｅ发表了全世界第一篇有关燃料目 制的单电池用镀制的铂作电极，以氢为女 指出。强化在气体、电解液与电极三者： 电池性能的关键。１８８９年。Ｌ＿Ｍｏｎｄ和 解质的多：ｆＬ￣ＩＩＥ传导材料为电池隔膜。以｛
质子交换膜燃料电池电催化材料研究综述
质子交换膜燃料电池电催化剂的研究综述
[摘要] 概述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理及电催化剂的特殊性质，总结了近年来的相关研究资料，综述了质子交换膜燃料电池用催化剂在国内外研究现状及目前的研究热点。归纳了近年来提高催化剂稳定性的改进方法，包括改变合金组成、选择高稳定性催化剂载体、制备新型催化剂材料；最后提出了该催化剂材料研究中存在的问题和今后的发展方向。
[关键词] PEMFC；催化剂；载体；性能衰减；稳定性
1.引言
随着全球能源的减少以及环境恶化的加剧,开发环保的新能源逐渐引起了人们的广泛关注。燃料电池(FuelCell)因具有高效、环保、燃料来源广及可靠性高等优点成为各国研究的热点。
燃料电池是一种能直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的电化学装置。而其中的质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具备燃料电池一般的特点之外，还具有可室温快速启动、无电解液流失、无腐蚀、寿命长、比功率与比能量高、重量轻、体积小等突出特点[1]。无论是PEMFC还是其它类型的燃料电池，其关键材料与部件都包括电极、电解质隔膜与双极板三部分。电极是其核心组成部分，而电极性能是由电催化剂性能、电极材料与制作工艺来决定的。其中，电催化剂的性能又决定着电流密度放电时的电池性能、运行寿命及成本等[2]。所以，电催化剂的性能是关系到PEMFC能否真正走向商业化的重要因素，制备出性能优异、成本低、稳定性好的电催化剂将会有力促进PEMFC走向商业化，最终为发电技术开辟新的途径。
2 .质子交换膜燃料电池及其电催化材料
质子交换膜燃料电池(PEMFC)也称固体聚合物电解质燃料电池。以高分子聚合物为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，以氢气或催化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂，以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板的一种燃料电池，低温燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外电路，如图1所示。工作时，阳极通过管道或导气板供给燃料（如H2）到达阳极，发生氧化反应，氢在阳极分解成带正电的氢离子和带负电的电子，而质子穿过质子交换膜电解质到达阴极；电池的另一端，阴极通过管道或导
绿色催化剂的研究现状及其应用
绿色催化剂的研究现状及其应用
催化剂是在化学反应中起到催化作用的物质，可以加速反应速率，提高反应选择性和转化率，从而实现高效、低能耗、低污染的化学合成。在化学生产和环境治理中，催化剂的应用越来越广泛。随着社会的不断发展，人们对于催化剂的理解也越来越深刻，同时对催化剂的要求也越来越高，绿色催化剂成为了当今催化剂领域的热门研究方向之一。
绿色催化剂是指在化学反应过程中，不仅具有高效催化活性和选择性，而且还能够参数环保，生成无毒、无害物质的催化剂。与传统的催化剂相比，绿色催化剂在整个催化循环过程中所产生的废物和污染物极少，对环境和生态系统具有更小的影响，因此备受人们的关注。
绿色催化剂的研究可以追溯到上世纪70年代中期，但直到近年来才引起了学术界和产业界的广泛关注。目前，绿色催化剂已经成为催化化学领域的前沿和热点，许多新型催化剂被陆续研究出来，并在环境保护、新能源、医药、冶金等领域得到成功应用。
在生物质转化领域，以生物质为原料的催化转化过程所需的绿色催化剂具有很高的应用价值。例如，含有有机酸的生物质可以通过酶或酸催化分解制备生物质糖或糖醇，这种生物质酸解是生物质化学转化的重要方法之一。糖类化合物具有广泛的应用前景，在生物医药、食品以及化学工业中均有广泛的应用。相关研究表明，钨酸盐等固体酸绿色催化剂在生物质酸解转化过程中具有较好的催化活性和高的选择性。
在燃料电池领域，催化剂的研究进展对于燃料电池的高效、稳定运行具有重要的意义。绿色催化剂可以提高燃料电池的催化剂利用率、增强其电化学性能、延长其使用寿命。氢气氧化反应是燃料电池中的典型反应之一，在反应中有铂催化剂的使用，但铂是贵金属，价格昂贵，抑制了燃料电池在工业和民用市场的发展。为了解决这一问题，科学家们寻找新型、更经济、更环保的替代性催化剂材料，纳米合金催化剂和金属氧化物催化剂应运而生。这些新型绿色催化剂可以提高氢气氧化反应的催化活性、迅速催化反应、降低过电位。
高温高压条件下的燃料电池催化剂性能评价
高温高压条件下的燃料电池催化剂性能评价
一直是燃料电池领域研究的热点之一。随着燃料电池技术的不断发展和应用，对催化剂在高温高压条件下的性能要求也越来越高。本文将从影响高温高压条件下燃料电池催化剂性能的因素、评价方法以及最新研究进展等方面进行综述。
首先，影响高温高压条件下燃料电池催化剂性能的因素有很多。其中一个重要因素是电催化剂的稳定性。在高温高压条件下，催化剂会面临氧化、析碳等严峻的环境，因此电催化剂的稳定性直接影响到其性能的长期稳定性。此外，催化剂的活性也是影响性能的关键因素之一。高温高压条件下，需要具有较高活性的催化剂来有效促进氢氧化还原反应的进行。此外，催化剂的结构和表面特性也会对其性能产生重要影响。
针对高温高压条件下燃料电池催化剂性能的评价方法也是研究的重点之一。传统的评价方法包括循环伏安法、原位原子力显微镜、X射线光电子能谱等。这些方法可以用来研究催化剂的活性、稳定性以及表面结构等性能。近年来，一些新的评价方法也不断涌现，如原位透射电子显微镜、同步辐射X射线技术等，这些新方法为高温高压条件下燃料电池催化剂性能的评价提供了新的思路和途径。
另外，最新的研究进展也为高温高压条件下燃料电池催化剂性能的提升提供了新的思路。一些研究表明，合成新型的催化剂材料、设计合理的结构以及优化电催化剂的表面特性等可以有效提高催化剂在高温高压条件下的性能。此外，一些研究还发现，使用纳米材料、合金化等技术也可以有效增强催化剂的活性和稳定性。
让我们总结一下本文的重点，我们可以发现，高温高压条件下的燃料电池催化剂性能评价是一个复杂而重要的课题。只有深入研究影响催化剂性能的因素，探索新的评价方法，并结合最新的研究进展，才能更好地提高燃料电池在高温高压条件下的性能，推动燃料电池技术的发展和应用。希望本文的综述能为相关研究提供一定的参考和帮助。
浅谈直接乙醇燃料电池
催化剂对直接乙醇燃料
电池的性能研究
摘要：本文介绍了直接乙醇燃料电池(DEFC)具有无毒，来源丰富的优点，分析了DEFC在Pt上的电催化氧化机理，讨论了DEFC的阳极电催化剂的重要作用；探讨了具有高电催化活性的新型Pt基催化剂、新型非贵金属催化荆、新型催化
剂载体、新型的催化荆制备方法等的研究现状；指明了阳极催化剂将是今后DEFC研究和发展的重要方向之一。
关键词：乙醇燃料电池、电催化剂、乙醇电催化氧化、直接乙醇燃料电池
前言
直接醇类燃料电池（DAFC）由于具有结构简单，理论比能量密度高，燃料便于携带与储存和环境友好等优点，在可移动电源方面具有广阔地应用前景。乙醇的比能量密度高，且无毒，来源丰富，可以通过含糖有机物的发酵进行大规模生产，是一种可再生的环境友好的燃料。因此，乙醇对直接燃料电池的研究不仅有理论上的意义，而且一旦研制成功，实际应用潜力十分广阔。
直接乙醇燃料电池（DEFC）的电极反应如下：
CH3CH2OH + 3H20一2CO2 + 12H+ + 12e-
3O2 + 12H+ + 12e-一6H2O,
CH3CH2OH + 3O2一2 CO2 + 3H2O,
乙醇在电催化剂的作用下发生电化学氧化反应过程较复杂，涉及到多种化学吸附态、碳碳键的断裂以及多种中间产物。在质子交换膜这样的强酸环境中，只有贵金属Pt才能稳定存在，它的催化活性较高。乙醇在Pt电极上的电催化氧化反应，
由于一些强吸附中间物质如CO使得Pt很快中毒，包括线式吸附和桥式吸附的CO以及中间产物乙醛、乙酸和其他一些副产物都被电化学调制红外反射谱（EMIRS）所检测到。然而一些研究结果表明，CO中毒问题在负载型Pt催化剂表面上与其在光滑Pt电极上相比显得不太明显。问题的关键在于减少或避免反应中间产物的形成和吸附，或者使其在较低的电位下氧化。为达到此目的，只有对电极加以修饰来改变电极表面的氧化和吸附物种的动力学行为。化反应机理与电极催化剂材料有密切关系，电极催化剂对于吸附的中间物种和产物生成，避免燃料电池运行过程中的毒害物种的生成至关系要。为改进纯铂完会氧化困难及降低其价格，寻找高催化性能的阳极催化剂是一项重要的研究课题。因此，高效电催化剂成为乙醇直接燃料电池的关键。
钯基催化剂应用于甲酸电氧化反应的研究进展
钯基催化剂应用于甲酸电氧化反应的研究进展
陈少峰1袁侯兰凤1袁廖世军2渊1.茂名职业技术学院化学工程系袁广东茂名525000曰2.华南理工大学化学与化工学院冤
摘要院甲酸是一种很有前途的化学储氢材料袁可作为低温液体燃料电池的直接燃料遥钯基催化剂作为直接甲酸燃料电池渊DFAFC冤阳极材料袁对甲酸氧化具有良好的催化活性袁能克服一氧化碳的毒化袁在甲酸电化学氧化反应中主要按直接途径进行遥降低贵金属含量尧提高催化活性尧提升稳定性是当前钯基催化材料研究领域的主要方向遥主要介绍了当前研究中钯催化剂对甲酸电氧化的催化机理袁综述了近5a的钯合金催化剂制备尧特殊形貌控制尧碳负载对甲酸氧化活性增强的研究袁对钯基催化剂的持续开发具有实际应用意义遥关键词院甲酸曰燃料电池曰Pd催化剂曰碳载体中图分类号院O643.36文献标识码院A文章编号院1006-4990渊2021冤05-0033-06Researchprogressonapplicationofpalladium鄄basedcatalystinelectrooxidationofformicacid
ChenShaofeng1袁HouLanfeng1袁LiaoShijun2渊1.DepartmentofChemicalEngineering袁MaomingPolytechnic袁Maoming525000袁China曰2.SchoolofChemistryandEngineering袁SouthChinaUniversityofTechnology冤
Abstract院Formicacidisapromisingmaterialforchemicalhydrogenstorage袁whichcanbeusedasdirectfuelforcryogenicliquidfuelcell.Asanodematerialsfordirectformicacidfuelcell渊DFAFC冤袁Pd-basedcatalystshavegoodcatalyticactivityforformicacidoxidation袁whichcanovercomethepoisoningofCOandcarryoutviadirectrouteoftheelectrochemicaloxida鄄tionofformicacid.Reducingnoblemetalcontent袁improvingcatalyticactivityandstabilityarethemaindirectionsinthere鄄searchfieldofPd-basedcatalyticmaterials.TheelectrooxidationandcatalyticmechanismofPd-basedcatalystforformicacidatpresentwasmainlyintroduced.ThepreparationofPdalloycatalyst袁thecontrolofspecialmorphologyandtheen鄄hancementofcarbonloadingonformicacidoxidationactivityinrecentfiveyearswerereviewed.IthaspracticalsignificanceforthecontinuousdevelopmentofPd-basedcatalyst.Keywords院formicacid曰fuelcell曰palladiumcatalyst曰carbonloading