碱性水电解制氢阴极催化剂研究进展

氢能因能量密度高、绿色无污染、应用广泛等优点,被认为是21世纪理想的清洁能源。水电解制氢是解决能源危机和环境问题的重要方法之一,其中碱性水电解制氢的主要问题在于催化剂成本较高。为了降低制氢成本,提高制氢效率,科研工作者致力于开发出具有优异催化活性的廉价阴极催化剂。综述近年来碱性水电解阴极催化剂的研究进展,对贵金属基催化剂、过渡金属催化剂、合金催化剂和碳基催化剂等高效析氢催化剂展开讨论。

甲醇双氧水单腔体燃料电池II.不同阴极催化剂下的电池性能研究

分别以MnO_(2)和合成普鲁士蓝(PB/XC-72R)作为催化剂时,考察其对甲醇和双氧水的催化性能,发现两者均可以实现对双氧水的选择性催化。以开发的Z-NiPt为阳极催化剂,以MnO_(2)与PB/XC-72R为阴极催化剂,组成甲醇双氧水单腔体电池,并测试电池的性能。结果表明:以PB/XC-72R为阴极的单腔体燃料电池的最大功率可达9.1 mW。该研究验证了甲醇单腔体新型燃料电池的可行性,为后续甲醇双氧水单腔体燃料电池开发奠定了基础。

Pt/Au原子比对活性炭负载Au-Pt直接甲酸燃料电池阴极催化剂性能的影响

制备了不同Pt/Au原子比的活性炭负载Au-Pt催化剂(Au-Pt/C),研究了Au/Pt原子比对Au-Pt/C催化剂氧还原电催化性能和抗甲酸性能的影响。结果表明,与Au/C催化剂相比,Au-Pt/C具有更好的电催化性能。当Pt/Au原子比从0/50增加到2/48时,Au-Pt/C催化剂表现出良好的氧还原电催化性能和抗甲酸性能;但是当Pt/Au原子比增加到3/47时,该催化剂的抗甲酸性能有所下降。Pt/Au原子比为2/48的Au-Pt/C可以用作直接甲酸燃料电池(DFAFC)的阴极催化剂。

二氧化锰为阴极催化剂的微生物燃料电池

以循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)考察MnO2对氧还原反应(ORR)的催化行为,并采用MnO2作为阴极氧还原催化剂构建微生物燃料电池(MFC)。结果表明,MnO2对ORR有显著的催化作用,而且其催化效果随电解质碱性增强而增强;当以肺炎克雷伯氏菌(L17)为产电微生物、3g/L葡萄糖为燃料、1mol/LKOH溶液为阴极液时,该MFC的最大输出功率可达696.3mW/m2,对应电流密度为0.25mA/cm2。

MnO_2为阴极催化剂的微生物燃料电池处理城市垃圾渗滤液研究

主要针对城市垃圾热解预处理过程所产生的渗滤液进行研究。首先改变城市垃圾堆放温度和堆放时间,发现城市垃圾于40℃堆放6 d后所得的渗滤液中生物需氧量(Biological Oxygen Demand,BOD)、氨氮浓度约为20800、1410 mg/L,B/C比、B/N比分别为0.32和14.8,营养物质较均衡,易于生化处理,且将其进行微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理时,电池可获得0.29 V的稳定输出电压。随后,以上述渗滤液为MFC阳极基质,考察廉价易得的Mn O2作为阴极催化剂对空气阴极单室MFC电池性能以及渗滤液中有机污染物去除率的影响。结果发现,由于Mn O2催化氧还原,加速了MFC阴极接受电子的速度,使得MFC电池性能有较大提高。其中,MFC的最大功率密度由0.16 W/m3提高到0.88 W/m3,而电池稳定输出电压明显升高至0.43 V,且阳极渗滤液中BOD和NH4+-N去除率也分别达72.9%和91.6%,比对照MFC分别提高8.1%和5.0%。

直接甲酸燃料电池用碳载铁卟啉-Au复合阴极催化剂的性能

研究了用于直接甲酸燃料电池(DFAFC)的碳载铁卟啉(FeTPP/C)、金复合阴极催化剂(FeTPP-Au/C)对氧还原的电催化性能和抗甲酸能力。结果表明,FeTPP-Au/C催化剂对氧气还原反应的电催化活性要远优于碳载铁卟啉(FeTPP/C)和碳载Au(Au/C)催化剂。而且,FeTPP-Au/C催化剂对甲酸氧化没有催化活性,因此,FeTPP-Au/C催化剂也有很好的抗甲酸能力。所以,FeTPP-Au/C催化剂适合作为DFAFC的阴极催化剂。

直接甲醇燃料电池阴极催化剂的研究进展

综述了近年来直接甲醇燃料电池(DMFC)中阴极催化剂研究进展。目前DMFC中所用的阴极催化剂一般是Pt,其主要问题是对氧还原的电催化活性低及透过隔膜的甲醇燃料会使阴极催化剂的性能降低。在Pt催化剂中添加如Cr、N i、杂多酸或过渡金属的卟啉和酞菁化合物等,不但能提高Pt对氧还原的电催化活性,而且还能较大幅度地提高Pt的耐甲醇能力,因此,这些Pt基复合催化剂有望用作为DMFC的阴极催化剂。

微生物燃料电池非生物阴极催化剂的研究进展

在微生物燃料电池(MFC)中,以氧为电子受体具有很多优点,但氧阴极还原的反应动力学慢,会造成阴极电势的损失。因此,提高阴极对氧还原的电催化活性和降低催化剂的价格是MFC非生物阴极催化剂的研究重点之一。本文综述了近年来MFC中非生物阴极氧还原催化剂的研究进展。重点讨论了贵金属Pt、过渡金属大环化合物以及金属氧化物催化剂对氧还原的电催化活性。其中,非贵金属氧化物及过渡金属大环化合物催化剂具有良好的性能,而且价格低廉,有望成为MFC非生物阴极Pt基催化剂的替代催化剂。

氮掺杂石墨烯的一步法低温合成及用作微生物燃料电池阴极催化剂的产电特性

利用爆炸法低温合成了氮掺杂石墨烯(NG),并通过高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、Raman光谱仪以及X射线衍射仪对其进行了表征.电化学性能检测结果表明,所合成的NG在中性磷酸盐电解液中具有优异的氧还原催化活性,完全能够与贵重金属铂催化剂(Pt/C)相媲美,氧还原催化稳定性甚至优于Pt/C.当NG用作微生物燃料电池(MFCs)的阴极氧还原催化剂时,在外阻为1000Ω情况下,MFCs的最大功率密度为1345 mW/m2,产电稳定性优于以Pt/C为阴极催化剂的MFCs,可以成为Pt催化剂的理想替代品.

以泡沫镍载NiCo_2O_4纳米线阵列为阴极催化剂的Al-H_2O_2半燃料电池

研究了以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池的性能.以无模板生长法制备了泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列阴极材料,SEM测定结果表明,NiCo2O4纳米线几乎垂直于泡沫镍载体表面生长.以电压和功率密度-电流密度曲线研究了H2O2浓度、电解液流速和温度对电池性能的影响,结果显示,以铝片为阳极,0.6 mol/L H2O2为氧化剂的电池的开路电压约为1.40 V;在室温和57℃下,电流密度为98和172 mA/cm2时,最大功率密度分别达到79和120 mW/cm2.在5000 s的测试时间内,0.70 V的恒电流密度和75 mA/cm2的恒电压值几乎为一常数,这表明以泡沫镍载NiCo2O4纳米线阵列为催化剂电还原H2O2具有很好的活性、稳定性和传质性能.

质子交换膜燃料电池Pt/C阴极催化剂性能的强化研究评述

Pt/C是质子交换膜燃料电池普遍采用的电催化剂,但由于电池阴极氧还原的过电位较大,因此,必须进一步提高铂电催化剂的性能以降低燃料电池成本和改善电池电压输出性能,综述了提高Pt/C催化剂电催化性能的途径及其研究状况。

质子交换膜燃料电池阴极催化剂用WO_3的制备与性能

利用HCl沉淀法制备WO3，并将其制备成Pt／WO3／C复合催化剂应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极．X射线衍射测试结果表明，制备的WO3结晶度较好，无杂相存在，Pt／WO3／C复合催化剂中WO3晶粒为50—75nm，Pt晶粒为110-202nm；循环伏安曲线和单电池极化性能测试结果表明，当m（WO3）：m（C）=3：1时，复合催化剂Pt／WO3／C的催化性能最好，最大电流密度为50mA／cm^2，最大功率密度为90mW／cm^2；添加WO3在一定程度上增强了Pt／C催化剂的催化性能．

微生物电解池阴极催化剂研究进展

综述了近年来微生物电解池阴极催化剂的研究进展。重点介绍了贵金属Pt、不锈钢、镍合金、纳米粒子修饰阴极、二硫化钼、生物阴极的析氢催化活性,其中不锈钢和镍合金催化剂具有良好的性能,且价格低廉,有望成为替代Pt的微生物电解池阴极材料。

添加Sn的Ni-Al合金生物电化学制氢阴极催化剂

研究了添加Sn的Ni、Al合金粉作为低成本生物电化学制氢阴极催化剂的可行性,结果表明,Ni、Al、Sn的协同作用能够提高催化剂对氢的选择性。SEM分析显示,当Sn的含量为0、5%、10%时Ni-Al-Sn能够形成均一颗粒形貌;当Sn的含量为15%时,催化剂形成两种颗粒形貌。XRD分析显示,Sn的含量为0、5%、10%时催化剂中无金属锡,当Sn的含量为15%时催化剂中有金属Sn析出。Ni-Al-Sn催化剂与碳载Pt催化剂相比,尽管产气速率较低,但该类型催化剂对氢的选择性高,实验数据显示Ni50%、Al45%、Sn5%的催化剂为较好的生物电化学制氢催化剂。以该类型催化剂作为阴极催化剂的生物电化学装置可以代替污水处理中的厌氧系统,在处理污水的同时,产生部分氢气。

以Fe-N/C为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池

以铝合金为阳极,Fe-N/C为阴极组装了金属过氧化氢半燃料电池,研究了H2O2浓度、KOH浓度、电解液流速及测试温度对电池性能的影响。结果表明,过氧化氢浓度为0.6 mol/L、KOH浓度为3 mol/L、电解液流速为80 mL/min时电池的开路电压为1.3 V,最大功率密度达到51 mW/cm2。恒电流放电表明电池在碱性溶液中稳定性良好。

H_2O_2基燃料电池阴极催化剂的研究进展

本文综述了燃料电池中H2O2电还原催化剂的研究,其主要集中在贵金属、过渡金属的大环化合物、酶以及非贵金属氧化物,其中研究非贵金属氧化物作为H2O2电还原的催化剂将是未来发展的方向。

直接甲醇燃料电池阴极催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池的商业化发展受两个因素制约。开发低成本、高活性和抗甲醇性的氧还原电催化剂是解决问题的重要途径,本文综述了DMFC阴极催化剂的研究进展,讨论了不同催化剂存在的问题及发展趋势。认为核壳结构催化剂具有良好的发展前途。

炭载肌红蛋白作生物燃料电池阴极催化剂

采用平衡吸附法制备了吸附在活性炭上的肌红蛋白(Mb-C)催化剂。循环伏安测量表明,吸附Mb的氧化还原峰分别位于-342和-402mV,氧化还原峰峰电流基本相等,峰电流与扫描速率成正比关系。说明Mb已经吸附到活性炭上,吸附的Mb能进行非扩散的、直接的准可逆电化学反应;用Nafian膜把Mb-C固定在在玻碳(GC)电极上后的稳定性很好,浸泡7d后的Mb-C/GC电极的循环伏安曲线与新制备的基本相同,电极上Mb的表观吸附量为4.5×10-10mol/cm2。Mb-C催化剂对O2的电化学还原具有很好的催化活性,说明吸附在活性炭上的Mb能保持其生物活性。Mb-C催化剂可用作生物燃料电池的阴极催化剂。

阴极催化剂及不同底物对微生物燃料电池的影响

构建了单腔室微生物燃料电池(MFC),分别以乙酸钠、丁二酸、蔗糖及对苯二甲酸(TA)为底物,研究了Pt-C、聚苯胺(PANI)、碳纳米管(MWNTs)和PANI-MWNTs分别作为阴极催化剂的MFC产电性能。研究结果表明:分别以乙酸钠、丁二酸、蔗糖及TA为底物时,PANI-MWNTs阴极可获得最大开路电压分别为445,457,460,410 mV,最高功率密度分别为371,374,429,317 mW/m2;PANI-MWNTs阴极具有与Pt-C阴极接近的产电性能,反应35 h时,Pt-C阴极对上述4种底物的COD去除率分别为95.8%、95.9%、96.4%和89.1%;PANIMWNTs阴极分别为96.6%、97.0%、95.6%和97.3%。

直接甲醇燃料电池高稳定性Pt/RuO_2/C阴极催化剂研究

应用湿化学法制备RuO2/C纳米复合物,并以其为载体借助微波法制备成Pt/RuO2/C催化剂.使用透射电镜和X射线衍射分析RuO2/C载体、Pt/RuO2/C催化剂的形貌及晶体结构;循环伏安、稳态阳极腐蚀和旋转圆盘电极等测试电化学性能.结果表明,Pt/RuO2/C催化剂具有良好的耐甲醇渗透性和稳定性,可有效延长催化剂的使用寿命.本文为探索新型高性能DMFC阴极催化剂之制备提供了一条较好的途径.