新型碳材料作为直接醇类燃料电池催化剂载体的评述_唐水花
直接甲酸燃料电池炭载Pd阳极催化剂的稳定性
关键词
炭载 Ｐ 催化剂 ； ｄ 甲酸氧化 ；甲酸分解 ；甲酸浸泡 ；直接 甲酸燃料 电池 ０４ ６６ 文献标识码 Ａ 文章编号 ０５ － ９ （０ １ １－６ ６０ ２ １０ ０ ２ １ ） １２２ － ７ ４
中图分类号
近年来 ，直接 甲酸燃 料 电池 （ Ｆ Ｆ 越来越 受 到重视 ．与直接 甲醇燃 料 电池 相 比，Ｄ Ａ Ｃ具 有 甲 Ｄ Ａ Ｃ） ＦＦ
Ｖｏ ． ２ １３
２１ 年 １ ０１ １月
高 等 学 校 化 学 学 报
Ｃ ＨＥＭＩ ＣＡＬ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＮＥＳ ＨＩ Ｅ ＵＮＩ ＶＥＲＳＴＩ Ｉ ＥＳ
Ｎｏ １ ．１
２ ２ ２ ２ ６６ ６ ９
直接 甲酸燃 料 电池 炭 载 Ｐ ｄ 阳极 催化 剂 的 稳定 性
４４ｎ ． ｍ降低到 １８ａ 对 甲酸氧化的电催化活性和稳定性降低 ， ． ｍ， 甲酸 氧化 的峰 电流密度 由９ ３ｍＡ ｃ ． ／ ｍ 降低
到 ６７ｍＡ ｃ ． ／ ｍ ．这可能是 由 Ｐ ／ ｄ Ｃ催化剂 中的 Ｐ ｄ在 甲酸 中会有一定的溶解 和 Ｐ ／ ｄ Ｃ催 化剂能催化分 解 甲酸
液中浸泡一段时间 ， 研究其在浸泡前后 的结构和电催化性能的变化． 发现在甲酸溶液中浸泡后的 Ｐ／ ｄＣ 催化剂 中 Ｐ ｄ粒子 的相对 结 晶度和 平均粒 径都会 发 生 变化 ，对 甲酸氧 化 的 电催化 活 性 和稳 定 性都 会 降
低 ， 可能是 由于 Ｐ ／ 这 ｄＣ催 化剂 在 甲酸 中会有 一定 的溶解 和 Ｐ／ ｄ Ｃ催化 剂 能 催 化分 解 甲酸 ， 为 探 讨 这 Ｄ Ａ Ｃ中 Ｐ／ ＦＦ ｄ Ｃ阳极 催 化剂对 甲酸 氧化 的 电催 化稳 定性较 差 的原 因提供一个 新途 径．
醇类燃料电池新型催化剂的研究
循 环 伏 安 和 计 时 电 位 实 验 是 在 德 国 ＩＭ６ｅ 电 化 学 工 作 站 上 进 行 ， 采 用 阴 阳 极 分 开 的 三 电 极 体 系 ， 工 作 电 极 为 ０．３３ ｃｍ２
收稿日期：２００５－１２－０８ 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （２０４７６１０８）； 国 家 十 五 ８６３ 项 目 （２００３ ＡＡ ５１７０５０）； 广 东 省 自 然 科 学 重 点 基 金 项 目（０１１０５５００）； 广 州 市 科 技 攻 关 重 点 项 目（２００３ Ｚ ２－Ｄ ００８１） 作者简介： 徐 常 威（１９７５—）， 男 ， 广 东 省 人 ， 博 士 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 燃料电池。 Ｂ ｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｘ Ｕ Ｃ ｈａｎｇ－ｗ ｅｉ（１９７５—）， ｍａｌｅ， ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆｏｒ Ｐｈ Ｄ．
５６３ Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．９
Ｓｅｐ． ２００５
电源技术
研究与设计
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐ ｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ
取 ０．２００ ｇ 碳 黑 （ Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ－ ７２， 美 国 Ｃａｂｏｔ 公 司 ） 置 于 １００ ｍＬ 烧 杯 中 ， 加 入 １５ ｍＬ 异 丙 醇 水 溶 液 （ 异 丙 醇 与 水 体 积 比 为 １∶３） ， 再 滴 入 ５．８１ ｍＬ ０．２ ｍｏｌ／Ｌ ＣｅＣｌ３ 水 溶 液 ， 超 声 搅 拌 １０ ｍｉｎ， 再 滴 加 Ｋ２ＣＯ３ 溶 液 直 至 ｐＨ 为 ９， 随 后 把 沉 淀 物 用 蒸 馏 水 清 洗，直 至 清 洗 的 水 的 ｐＨ 为 ７。 把 清 洗 后 沉 淀 物 放 在 烘 箱 里 ８０ ℃干 燥 。 干 燥 后 将 干 燥 的 上 述 样 品 ， 进 行 如 下 微 波 加 热 程 序 ： 加 热 ２０ ｓ， 停 ６０ ｓ 反 复 进 行 六 次 ， 反 应 系 统 冷 却 后 ， 得 到 ０．３８２ ｇ 样 品 。Ｘ 射 线 衍 射 图 如 图 １， 发 现 ＣｅＯ２ 的 立 方 结 构 的 晶 体 特 征 峰 ， 并 没 有 发 现 Ｃｅ２（ＣＯ３）３ 的 特 征 峰 ， 说 明 负 载
直接热分解法制备的碳载Pt-Sn催化剂对乙醇氧化的电催化性能
（Ｒ 、 Ｘ Ｄ） 透射电镜（ Ｅ 和 ｘ射线光电子能谱 （ Ｐ ） Ｔ Ｍ） Ｘ Ｓ 等技术 对催化剂 进行 了表征 ，用循环伏安 法和 Ｃ Ｏ溶
出等方法研究 了催化剂对乙醇氧化的电催化性 能．结果表明 ， ｔ ｎ Ｃ催化剂 中的 Ｐ—ｎ粒子具有 Ｐ—ｎ合金 Ｐ— ／ Ｓ ｔ ｓ ｔ ｓ
粒子外壳 和 Ｓ Ｏ ｎ 粒子为核 的核壳结构 ，对乙醇氧化 的电催化性能优于商业化 的碳载 Ｐ（ ｔＣ 催 化剂． ｔＰ／ ）
Ｖｏ ． １３２ ２１ ０ １年 １ ２月
高 等 学 校 化 学 学 报
Ｃ ＨＥＭＩ ＣＡＬ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＮＥＳ ＨＩ Ｅ ＵＮＩ ＶＥＲＳＴＩ Ｉ ＥＳ
Ｎｏ １ ． ２
２ ５ ～２ ６ ８６ ８ ０
直 接 热 分解 法 制备 的碳 载 Ｐ－ｎ催 化 剂 ｔ Ｓ 对 乙醇 氧化 的 电催化 性 能
剂上的起始氧化电位一般都在 ０２Ｖ左右¨ ， ．
， 比乙醇在纯 Ｐ 催化剂上氧化的起始电位有较大负 ｔ
移． ｕｔ 研究组 用电沉积技术制备了 Ｐ— 催化剂 ， Ｇｐ ａ ｔｎ ｓ 由于在这种催化剂中含有较多的 ＳＯ ， ｎ 因此对
乙 醇氧化 有较好 的电催化性 能 ， 该方 法无法 实现 大规模 生产 ．本文 以 ＳＯ和 Ｐ（ Ｏ ） 但 ｎ ｔＮ 为前 驱体 ， 用
热分解方法制备 Ｐ．ｎＣ催化剂， ｔ ／ Ｓ 发现催化剂中含有 Ｐ—ｎ ｔ 合金粒子外壳和 Ｓ Ｏ 为核的核壳结构 ， ｓ ｎ 因
此对 乙醇氧 化具 有很好 的电催化性 能 ．此外 ， 种制 备方法 未 引入 ｃ一 制 得 的催 化剂 不需 要洗 涤 ， 这 ｌ， 不 会 引起环境 污染 ．该 制备 方法适 用 于规模化 生产 ， 一种 具有实 用性 的制备 方法 ． 是
直接乙二醇燃料电池阳极催化材料的研究进展
直接乙二醇燃料电池阳极催化材料的研究进展赵亚飞;马宪印;李云华;李巧霞【摘要】The mechanism of electrooxidation of ethylene glycol in direct ethylene glycol fuel cell(DEGFC) was reviewed.The performance of supported Pt and non-Pt series anode electrocatalysts for electrooxidation of ethylene glycol,including single metal,binary and ternary alloys dopted with Ru,Sn,Ni,Rh,WO3 and TiO2 was introduced.The developing direction of electrocatalysts for ethylene glycol electrooxidation was discussed.%综述直接乙二醇燃料电池催化剂的催化反应机理,以及不同载体负载Pt、Pd单金属催化剂,掺杂金属Ru、Sn、Ni、Rh及金属氧化物WO3、TiO2等合成二元和多元Pt 系和非Pt系阳极电催化材料对乙二醇电催化氧化性能的研究现状,并对乙二醇电催化剂的研究方向进行展望.【期刊名称】《电池》【年(卷),期】2017(047)001【总页数】4页(P48-51)【关键词】直接乙二醇燃料电池;乙二醇电氧化;阳极电催化剂【作者】赵亚飞;马宪印;李云华;李巧霞【作者单位】上海电力学院环境与化学工程学院,上海市电力材料防护与新材料重点实验室,上海200090;上海电力学院环境与化学工程学院,上海市电力材料防护与新材料重点实验室,上海200090;上海电力学院环境与化学工程学院,上海市电力材料防护与新材料重点实验室,上海200090;上海电力学院环境与化学工程学院,上海市电力材料防护与新材料重点实验室,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TM911.46燃料和催化剂对燃料电池性能有着重要的影响。
活性炭载Au-Ru合金作为直接甲酸燃料电池阴极催化剂的研究
ｈｄｆｒ ｉ ａｉ ｌ ａｃ ．Ｉ ｃｕｄｂ ｓｄａ ｕｔ ｌ ｃｔｏｉ ｃｔ ｙｔ ｎｄｒｃ ｆ ｉ ａｉ ｆｅ ｃｌ Ｄ Ａ Ｃ ａ ｍ ｃ ｃｄｔｅ ｎｅ ｔ ｏ ｌ ｅｕｅ ｓ ｓｉ ｂｅ ａ ｄｃ ａ ｓ ｉ ｉ ｔｏ ｃ ｃ ｌ ｅ ．（ Ｆ Ｆ ） ｏ ｏｒ ａ ａ ｈ ａ ｌ ｅ ｒ ｄｕ １ ｍ
Ｐ ｅ ａ ａ ｉｎ ｏ ｔ ｏ ｉ ｔ ｌ ｓ ｎ Ｄｉ ｃ ｏ ｍｉ ｉ ｕ ｌＣｅ ｌ ｒ ｐ ｒ ｔｏ ｆＣａ ｈ ｄ ｃ Ｃａ ａｙ ｔｉ ｒ ｔＦ ｒ ｃ Ａｃ ｄ Ｆ ｅ ｌ ｅ Ｕｓｎ ｔ ａ ｅ ｒ ｏ ｕ ｐ ｒｅ ｙ Ａｕ Ｒｕ Ａｌ ｙ ｉ ｇ Ａｃｉ ｔｄ Ｃａ ｂ ｎ Ｓ ｐ ｏ ｔ ｄ ｂ — ｌ ｖ ｏ
活 性炭 载 Ａ — ｕ合 金 作 为 直 接 甲酸燃 料 ｕＲ 电 池 阴 极 催 化 剂 的 研 究
贾羽 洁 ，蒋剑 ，孙 康
（ 国林业科 学 究院 林 产化 学工业研 究所 ； 中 研 生物质化 学利 用国 家工程 实验 室； 国家林业局 林 产
化 学工程 重点开放 性 实验 室； 苏省 生物质 能源与材料重点 实验 室 ，江苏 南京 ２ ０４ ） 江 １０ ２
摘
ＪＡ Ｙ －ｅ Ｉ ｕｊ ｉ
要 ： 研 究 了活性 炭 载 Ａ — ｕ合金 催 化 剂 对 氧 气 还 原 的 电催 化 性 能 和 抗 甲酸 性 能 。 通 过 ｘ 射 ｕＲ
线衍射（ Ｒ 发现 原子 比为 １ ｌ的 Ａ — ｕ／ Ｘ Ｄ） ： ｕ Ｒ Ｃ催化 剂中 Ａ ｕ与 Ｒ ｕ形成合金 。通过 电化学线性扫描
（ Ｓ 测试表明该 Ａ — ｕ Ｃ催化 剂对氧 气还 原的 电催化 性 能优 于 Ａ ／ Ｒ ／ Ｌ Ｖ） ｕＲ／ ｕ Ｃ， ｕ Ｃ催化 剂 ， 并且 发现 Ａ — ｕ Ｃ催化 剂有很 好的抗 甲酸性能 ， 以作为直接 甲酸燃料 电池（ Ｆ Ｆ ） 阴极催化 剂。 ｕ Ｒ／ 可 ＤＡＣ的
碳纳米管负载碳化钼一种高效的燃料电池电极催化剂载体
Fig.1 XRD patterns of MoC x /CNTs samples.碳纳米管负载碳化钼：一种高效的燃料电池电极催化剂载体庞敏，李闯，丁玲，梁长海*（大连理工大学精细化工国家重点实验室，辽宁，大连，116012,E-mail: *****************.cn ）燃料电池作为一种新型高效的替代电源具有环境友好，能量转化效率高等优点，尤其适合作为小型可移动及便携式电源，在国防，能源，环保，通讯等领域有着广泛的应用前景。
燃料电池的核心是高活性、长寿命的电极催化剂。
目前的低温燃料电池一般采用很高担载量的炭负载铂或铂合金基催化剂，从而使得燃料电池的成本极高；并且铂或铂合金基催化剂易CO 中毒。
因而开发非贵金属燃料电池催化剂对燃料电池的广泛应用具有非常深远和重要的意义。
过渡金属碳化物是碳原子进入过渡金属晶格后而形成的一类具有特殊的物理和化学性质的化合物，具有低电阻率和优异的耐高温、耐氧化和耐腐蚀等性能。
碳原子进入过渡金属的晶格导致金属晶格的扩展以及金属键长的增加，从而使得金属d 能带收缩和费米能级附近的态密度增大，在结构和物理性质等方面的变化赋予了该类材料特殊的催化性能。
对过渡金属碳化物的电化学性质初步研究表明该材料具有优异的稳定性和耐CO 中毒的能力，并且其结构对电催化性质具有重要影响，是非常有潜力的电催化剂[1, 2]。
传统冶金制备方法所得碳化物比表面较低，不适合于催化应用。
应用于催化研究的程序升温碳化方法由于成本较高，制备条件苛刻，过程复杂，难以控制结构及材料表面易污染等，而限制了其在电催化领域的应用[3, 4]。
我们发展了以六羰基钼作为前体微波辅助的化学气相沉积方法制备了纳米结构的碳化钼/炭材料复合材料。
图1给出了碳纳米管负载不同量MoC x 样品以及不同微波辐射时间样品的XRD 结果。
如图所示，随着MoC x 负载量的增加，β-Mo 2C 衍射峰逐渐明显，并且能够发现Mo 3C 2相的存在。
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。
以甘蔗渣为燃料的直接碳固体氧化物燃料电池
mW/cm2；当负载 Fe 催化剂后，最大功率密度达到 236 mW/cm2。以 0.5 g 甘蔗渣炭为燃料，0.1 A 恒电流放电，电池分别
能放电 11 和 14.5 h。这一新型发电技术可以提高甘蔗渣的转化和利用效率，减少资源浪费和环境污染。
关键词：生物质炭；甘蔗渣；燃料电池；直接碳固体氧化物燃料电池
作为化石能源的替代物，生物质能受到了越来越多的重 视。木质纤维生物质是最重要的一类生物质资源，广泛来源于 植物或农业废弃物，具有碳中性的特点。甘蔗是我国重要的制 糖原料，每年仅南方甘蔗产量就有 7 亿吨，甘蔗渣的产量约为 2 亿吨[1]。但由于收集和运输成本问题，这种生物质资源不适用 于大规模集中使用，因地制宜、就地消化应该是有效利用这种 甘蔗渣的首选。
中图分类号：TM911.4
文献标识码：A
文章编号：1002-087 X(2019)09-1492-04
Biochar derived from bagasse as fuel for direct carbon solid oxide fuel cell
QIU Qian-yuan, ZHOU Ming-yang, CHEN Qian-yang, LIU Jiang
Abstract: Sugarcane is an important sugar crop in China and huge amount of bagasse is produced as a byproduct of sugar industry. However, the bagasse is not efficiently utilized due to technical limitations. In this paper, we present our work on using the biochar derived from bagasse as the fuel for direct carbon solid oxide fuel cells (DC-SOFC). The maximum power density of the cell is 196 mW/cm2 at 800 ℃, and it achieves 236 mW/cm2 when Fe was loaded on the bagasse char as catalyst. Cells with 0.5 g bagasse char and Fe-loaded bagasse char can discharge at a constant current of 0.1 A for 11 h and 14.5 h, respectively. This new power generation technology not only can improve the conversion and utilization efficiency of bagasse but also can reduce resource waste and environmental pollution. Key words: biochar; bagasse; fuel cell; direct carbon solid oxide fuel cell
直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望
Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2021, 11(2), 66-75Published Online March 2021 in Hans. /journal/hjcethttps:///10.12677/hjcet.2021.112009直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状及展望李贵贤，祁建军，王东亮，周怀荣，王靖靖，李红伟*兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州收稿日期：2021年1月8日；录用日期：2021年2月27日；发布日期：2021年3月5日摘要直接甲醇燃料电池(DMFC)因其具有能量密度高、绿色环保和体积轻便等优势得到广泛关注，其中阳极催化剂活性是决定燃料电池性能、寿命的关键因素。
近年来，研究者围绕提高阳极催化剂性能和降低催化剂成本这两个方面展开研究，推动了DMFC的蓬勃发展。
本文介绍了电催化剂的催化机理及其分类，详细综述了贵金属催化剂和非贵金属催化剂的合成方法，结合当前研究进展对甲醇电催化剂未来的发展趋势进行展望。
关键词直接甲醇燃料电池，贵金属催化剂，非贵金属催化剂Research Progress and Prospect of AnodeCatalysts for Direct Methanol Fuel CellsGuixian Li, Jianjun Qi, Dongliang Wang, Huairong Zhou, Jingjing Wang, Hongwei Li*School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou GansuReceived: Jan. 8th, 2021; accepted: Feb. 27th, 2021; published: Mar. 5th, 2021AbstractDirect methanol fuel cell (DMFC) has attracted wide attention due to its advantages of high energy density, environmental protection, and lightness. Among them, the methanol oxidation electroca-talyst is a key factor that determined the performance, life and cost of fuel cells. In recent years, researchers have carried out a lot of researches on improving the activity of anode catalysts and*通讯作者。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2010 Chinese Journal of Catalysis Vol. 31 No. 1 文章编号: 0253-9837(2010)01-0012-06 DOI: 10.3724/SP.J.1088.2010.90525 综述: 12~17
收稿日期: 2009-05-19. 联系人: 孙公权. Tel/Fax: (0411)84379063; E-mail: gqsun@dicp.ac.cn 基金来源: 国家高技术研究发展计划 (863 计划, 2007AA05Z159); 国家自然科学基金 (20803078). 本文的英文电子版由 Elsevier 出版社在 ScienceDirect 上出版 (http://www.sciencedirect.com/science/journal/18722067).
新型碳材料作为直接醇类燃料电池催化剂载体的评述 唐水花 1,2, 孙公权 2, 齐 静 2, 孙世国 2, 郭军松 2, 辛 勤 2, Geir Martin HAARBERG1 1 挪威科技大学材料科学与工程系, 特隆赫姆 7491, 挪威
2 中国科学院大连化学物理研究所, 辽宁大连 116023
摘要: 电催化反应过程涉及固、液、气传输以及电子和质子传导, 为确保反应的顺利进行和提高催化剂中贵金属的利用率及延长催化剂的寿命, 理想的电催化剂载体必须同时具备高比表面积、导电性好、合适的孔结构、耐腐蚀以及合适的表面基团等. 为此, 碳载体的改性工作受到关注, 常用的方法是通过酸、碱、氧化和高分子等手段改变载体的结构和表面性质, 以期接近理想电催化剂载体的要求; 同时在开发新型碳载体方面做了更大量的工作. 本文简要评述了商品炭载体如碳黑 Vulcan XC-72R 以及其它的乙炔黑、黑珍珠-2000、Printex XE-2 和 Ketjen Black EC 等碳材料在直接醇燃料电池中的应用, 但对纳米碳纤维、碳纳米管、有序多孔碳、中间相碳小球、碳纳米角、碳纳米卷和碳气凝胶等新型碳载体则进行了较全面的评述. 与商品碳载体相比, 新型碳载体在一定程度上都表现出比 XC-72R 更优的性能, 这主要是因为新型碳材料具有特殊的结构、更高的结晶性能 (导电性) 和更好的传质能力. 关键词: 直接醇类燃料电池; 电催化剂; 碳纤维; 碳纳米管; 有序多孔碳; 碳纳米卷; 碳纳米角 中图分类号: O643 文献标识码: A
New Carbon Materials as Catalyst Supports in Direct Alcohol Fuel Cells TANG Shuihua1,2, SUN Gongquan2,*, QI Jing2, SUN Shiguo2, GUO Junsong2, XIN Qin2, Geir Martin HAARBERG1 1Department of Material Science and Engineering, Norwegian University of Science and Technology, 7491 Trondheim, Norway
2Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
Abstract: Electrocatalytic reactions in direct alcohol fuel cells involve solid, liquid, and gas phase transport and electron and proton transfer. Better supports for the electrocatalysts are needed to carry out the reactions successfully and give a longer lifetime for the electrocatalysts. An ideal carbon support should have a high specific surface area, good electric conductivity, suitable pore size, favorable surface functional groups, good corrosion resistance, and low cost. Much work has been done on developing new carbon materials and modifying the carbon materials by pretreatment with acid, alkali, oxidant, or polymer to meet these requirements. In this work, commercial carbon supports that include the widely used carbon black Vulcan XC-72R, acetylene black, black pearls 2000, Printex XE-2, and Ketjen Black EC were briefly reviewed. New carbon materials such as carbon nanofibers, carbon nanotubes, ordered porous carbon, mesocarbon microbeads, carbon nanohorns, carbon nanocoils, and carbon aerogels were reviewed in detail. These new carbon materials generally give better performance due to their special structure, better crystallinity, and faster mass transfer when compared to the commercial materials, and carbon nanotubes demonstrated the best performance up to the present time. Key words: direct alcohol fuel cell; electrocatalyst; carbon nanofiber; carbon nanotube; ordered porous carbon; carbon nanocoil; carbon
nanohorn
直接甲醇燃料电池具有比能量密度高、无噪音、无污染、易于操作等优点, 有望在手机、笔记本电脑和摄像机等小型移动电源领域取代锂离子电池[1]. 近年来, 直接甲醇燃料电池的研发迅猛发展, 人们已经在催化剂的筛选和制备、质子交换膜的研制与改性、膜电极的结构优化及系统集成等方面进行了大www.chxb.cn 唐水花 等: 新型碳材料作为直接醇类燃料电池催化剂载体的评述 13 量深入的研究[2~4], 以至于世界上许多大公司诸如
NEC、东芝、日立、三星、MTI 和摩托罗拉等纷纷推出了手机和笔记本电脑电源的演示产品. 有人认为, 直接甲醇燃料电池已经处在产业化的前夕. 然而还面临三大主要科学问题：一是阳极电催化剂的甲醇氧化动力学过程缓慢, 二是质子交换膜的质子电导率低和甲醇从阳极迁移到阴极, 三是阴极催化剂氧还原过程缓慢以及抗甲醇能力差. 因此, 研制出高活性、高稳定性的阳极和阴极电催化剂至关重要. 1 商品碳载体 为提高催化剂活性和稳定性及贵金属的利用率, 通常是将活性组分担载在载体上. 碳材料具有比表面积较大、耐腐蚀性能较强以及价格低廉等优点, 因而成为电催化剂载体的首选. 最常用的商品碳载体是美国 Cabot 公司生产的 Vulcan XC-72R (简称 XC-72R) 炭黑, 其 BET 表面积约 250 m2/g, 表观上中孔和大孔达到 54% 以上, 电导率 2.77 S/cm, 能基本满足电催化剂载体对比表面积和导电性的要求, 被认为是目前最好的商品载体, 几乎 80% 以上的负载型电催化剂的研究都是以 XC-72R 炭黑为载体. 此外, 也有人对其它几种商品化的碳载体如 Black Pearls 2000, Acetylene Black, Ketjen Black 和 Macsorb 等进行了研究, 但其担载的电催化剂性能几乎都逊色于 XC-72R. 为此, 人们对碳载体进行了表面改性、扩孔或堵孔等处理, 以期改善载体表面的亲水或憎水性能及电催化反应的电子、质子和传质过程, 因而催化剂活性在一定程度上得到了提高. 常用商品碳载体的物理性质见表 1. 电催化反应过程涉及固、液、气传输以及电子和质子传导, 为确保反应的顺利进行和提高贵金属的利用率及延长催化剂的寿命, 理想的电催化剂载体必须同时具备高比表面积、高导电性、合适的孔结构、耐腐蚀性以及合适的表面功能团. 这是因为电催化剂中金属载量一般要求高达 40% 或以上, 因此, 碳载体必须具有高的比表面积, 以实现活性组分的高分散、高活性以及高稳定性. 一般认为, 理想电催化剂载体的比表面积为 400~600 m2/g. 同时, 为了使
反应物和产物能顺利地接近反应活性位和从活性位表面脱出, 还要求碳载体具有足够多的中孔或大孔以及合适的形貌. 另外, 电催化反应要求碳载体必须具有高的导电性 (石墨化程度), 以降低电极电阻和防止在电池运行过程中碳载体被氧化. 合适的表面官能团被认为在催化剂制备过程中能锚定贵金属粒子, 从而提高催化剂的使用寿命和活性组分的分散度. 尽管 XC-72R 是最好的商品碳载体, 但仍然不能满足理想电催化剂载体的要求. 因此, 新型碳载体的开发和改性备受关注. 高导电性、高比表面积和大量的中孔或大孔并存本身存在着矛盾. 因此, 设计开发性能优异的电催化剂载体是一项极具挑战性的工作. 从 1998 年至今, 已经有多种新型碳材料被尝试作为质子交换膜燃料电池电催化剂载体, 如纳米碳纤维 (CNFs)、有序多孔碳 (OPC)、碳纳米管 (CNTs)、中间相碳小球 (MCMBs)、碳纳米角 (SWNHs)、碳纳米卷 (CNCs) 和碳气凝胶 (CAGs) 等, 并取得了一些令人瞩目的结果. 下面将分别对各新型碳材料在直接甲醇燃料电池中的应用进行较全面和较详细的评述.