亲疏水调控策略在氧还原反应催化剂中的应用

催化剂的亲疏水性是影响氧还原反应(Oxyen Reduction Reation,ORR)性能的关键因素之一。本文综述了亲疏水调控策略在提高催化剂性能方面的应用,包括杂原子掺杂、结构设计、表面改性等方法。特别强调了超亲水和超疏水表面在促进氧气传输、增加活性位点和改善三相接触界面方面的作用。为设计高效、稳定的催化剂提供了理论基础和实践指导。

Fe-P双掺杂二氧化钛复合材料的制备及其对铊的吸附研究

以钛酸四丁酯为原料,利用水解法构造了Ti-O-Ti的空间结构,通过添加有机硝酸铁和磷酸氢二铵两种原料,向其空腔内引入Fe、P双元素掺杂,得到P-FeN-TiO_(2)复合材料。使用扫描电镜(SEM)观察了材料的表面形貌,通过吸附等温线、吸附动力学拟合模型分析材料对铊的吸附性能;考察不同溶液pH值、阳离子共存时对铊吸附进程的影响。结果表明:P-Fe-TiO_(2)复合材料具有多孔结构,吸附符合单分子层吸附,Langmuir拟合最大吸附容量283.1 mg/g,吸附大约2 h达到平衡,强酸性环境会抑制铊的吸附,随着pH值的升高吸附容量逐渐增大,K(Ⅰ),Na(Ⅰ)离子的存在对吸附干扰较小,Ca(Ⅱ)离子的存在会与Tl(Ⅰ)竞争有效的吸附结合位点,导致吸附效率降低,根据吸附前后材料的XPS表征分析,P-FeN-TiO_(2)复合材料对Tl(Ⅰ)的吸附机理为Ti-OH、P=O、Fe-OH三种基团与Tl(Ⅰ)发生了络合作用,从而实现铊的去除。

碱性膜燃料电池阴极Co-N-C催化剂层的性能优化

近年来,阴离子交换膜性能的提升使碱性膜燃料电池(AMFC)的研究成为热点.与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比,其主要特点之一就是可以使用非贵金属催化剂替代商业Pt/C,从而避免非贵金属在酸性中的不稳定性.膜电极是燃料电池的核心部件,制约燃料电池的性能.催化层作为膜电极的主要部件,由催化剂和离聚物组成.离聚物质量分数影响催化层孔的尺寸和分布,从而影响电化学反应速率和燃料电池反应中的氧扩散和水传输.同时,催化层与气体扩散层接触的紧密程度也影响了接触电阻.因此,对催化层微观结构的调控决定着燃料电池发电性能.目前,关于AMFC的催化层研究以贵金属Pt/C催化剂为主,对于非贵金属催化层研究相对较少,制约了其在碱性膜燃料电池中的应用.本文使用实验室自制的Co-N-C催化剂和商业FAA-3离聚物制备了阴极催化层,探究了Co-N-C催化层中离聚物的质量分数对催化层结构的影响,通过研究催化剂墨水的组分和配比,发现当离聚物质量分数为40%时燃料电池性能最高达到139.7 mW/cm2,与使用Pt/C催化剂的燃料电池性能相近.

碱性膜燃料电池阳极双催化层结构与性能研究

改善阳极水管理是碱性阴离子交换膜(AEM)燃料电池重要的研究课题.在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极研究中,发现改变催化层内部结构能够有效改善阴极的水管理能力,然而目前关于AEM燃料电池催化层相关研究较少.本研究针对AEM燃料电池阳极水分布特点,利用Pt/C和PtRu/C催化剂在碱性条件下氢氧化反应(HOR)的活性差异,设计了双层催化剂结构.当活性较高的PtRu/C层靠近气体扩散层,活性较低Pt/C层靠近AEM时,双催化层形成与单一催化层水分布相反的活性梯度,能够有效改善水分布,在测试温度为30℃和100%相对湿度时,获得较高峰值功率密度88.1 mW/cm^(2).研究成果为碱性膜燃料电池的阳极催化层结构设计提出一种新思路.

钴基气体扩散电极的制备及氧还原性能

随着材料科学的不断发展,基于过渡金属电催化剂的活性不断提高.与Pt相比,由于其具有成本低、原料来源广等特点,非贵金属催化剂成为近年来燃料电池领域研究的热点.然而,非贵金属的催化层结构、催化性能、传质等方面研究较少,阻碍了过渡金属催化剂(如Co基材料)的进一步发展和燃料电池的应用.目前对非贵金属催化剂的研究主要集中在催化剂的合成和电催化活性研究等方面,对电极结构的设计、传质及氧还原性能影响的机理还不是十分清楚.本研究通过电沉积方法在气体扩散层上原位生长CoS/CoO纳米片催化层,调控沉积条件及后处理方法,合成了不同形貌和化学组成的催化层.通过电化学测试及物化结构分析,探究了气体扩散电极微观结构对氧还原反应(ORR)性能的影响.结果表明,在氩氢混合气(10%氢气+90%氩气)的保护下进行高温煅烧,可以有效避免Co纳米颗粒的团聚并获得较好的ORR活性.