直接甲醇燃料电池中碳基载体材料的研究进展

甲醇氧化电催化剂是决定直接甲醇燃料电池(DMFCs)性能、寿命与成本的关键。为获得高功率密度和低生产成本的DMFCs,设计合成组成、结构、形貌可控的阳极催化剂备受关注。阳极催化剂的颗粒尺寸、粒径分布、形貌结构、稳定性、分散性以及催化活性都与载体息息相关,而碳基载体材料由于其优异的性能已广泛应用于DMFCs中。首先,介绍了酸性环境和碱性环境中甲醇氧化反应的机理;然后,对不同形式的碳基载体材料,如炭黑、介孔碳、碳纳米材料、氧功能化碳、杂原子掺杂碳以及金属氧化物改性碳作为催化剂载体在DMFCs中的应用进行了综述;最后,对DMFCs的发展趋势进行了展望。

光辅助直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFCs)因其能够在较低工作温度下提供清洁、可持续能源方面的潜力而备受关注,但阳极缓慢的甲醇氧化反应(MOR)限制了其商业化应用。光辅助直接甲醇燃料电池(PMFCs)能利用光电耦合机制加速MOR过程,实现甲醇的化学能高效转化为电能,为开发高效、可持续的能源转换系统带来了巨大希望。本文首先简要回顾了PMFCs的背景、意义和在能源研究中的价值。从PMFCs的基本结构组成和酸碱介质下甲醇光电催化氧化的基本路径出发,总结了PMFCs阳极光电催化剂的研究进展。重点针对不同类型的PMFCs阳极光电催化剂,讨论光辅助下的MOR增强机制,如催化剂的尺寸效应、晶面效应、吸光性能、导电性以及表面等离激元共振(SPR)效应等方面的影响。PMFCs未来需要重点关注的研究方向是深入理解PMFCs的光电耦合机制和PMFCs阳极催化剂的构效关系,以及解决实际二电极系统下PMFCs光阳极的设计问题。

直接甲醇燃料电池阳极催化剂的失活机制及应对策略

甲醇氧化电催化剂是决定直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells,DMFC)性能与成本的关键。目前,铂基催化剂是最有前途的高效甲醇氧化电催化剂,但在反应过程中存在活性位的迁移、团聚与浸出、中毒以及载体的腐蚀与坍塌等原因引起的失活问题,阻碍了其进一步商业化发展。如何提高直接甲醇燃料电池阳极催化剂的稳定性是一个亟待解决的难题。本文首先总结了甲醇的电氧化原理和催化反应机理,详细综述了阳极催化剂的失活机制以及抑制改善其失活方面所取得的研究进展。最后对该领域未来的发展方向进行了展望,并指出利用限域作用限制活性金属的迁移和聚集,构建多元合金,设计增强复合型载体,将理论研究和原位表征技术相结合,是今后开发更高效、稳定阳极催化剂的重点研究方向。

直接甲醇燃料电池含氧空穴CaTiO_(3)阴极助催化剂研究

作为便携移动电源,直接甲醇燃料电池(DMFC)在高海拔、低氧浓度条件下的性能变化直接影响其实际应用效果。针对低氧浓度条件下,DMFC阴极极化损失增大问题,通过水热模板法合成CaTiO_(3)助催化剂,与商品Pt/C催化剂进行不同比例掺杂,对掺杂催化剂进行了X射线衍射光谱法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)和透射电子显微镜法(TEM)等表征分析以及旋转圆盘电极(RDE)、单电池电化学测试。与商品Pt/C催化剂相比,掺杂(CaTiO_(3)与Pt/C的质量比为1∶1)催化剂的半波电位正移39 mV;当氧浓度从100%逐渐降低到10%,Pt/C膜电极峰值功率密度降低了38.62%,Pt/CCTO膜电极峰值功率密度降低15.03%。在10%低氧浓度下,Pt/C-CTO膜电极峰值功率密度较Pt/C膜电极峰值功率密度高40.54%。

直接甲醇燃料电池中Pt基催化剂研究进展

在国家“双碳”目标的大背景下,直接甲醇燃料电池(DMFC)作为一种高利用率、低碳排放、低成本的新型能源电池获得了广泛关注。铂(Pt)由于能最高效地促进甲醇氧化,而成为了DMFC中最常见的阳极催化剂。但由于Pt易受中间体毒化,故制备一种高利用率、高稳定性且抗毒化的Pt基催化剂十分重要。本文主要对一元及多元Pt基催化剂的研究进程进行综述,重点阐述了催化剂的元素组成、形貌结构及载体的改变对催化剂性能的影响,并展望了直接甲醇燃料电池阳极催化剂的发展方向。

直接甲醇燃料电池离网供电应用研究

针对石油管道监测、司法监控等领域存在的离网供电不足问题,设计了离网供电系统,将自研的直接甲醇燃料电池DMFC(direct methanol fuel cell)与太阳能电池、蓄电池等进行集成,用于实现离网设备的不间断供电。自主研制的DMFC具有较高的甲醇燃料转化率;在低温-40℃、常温20℃、高温45℃的模拟环境试验中,DMFC起动正常且均能够稳定运行;高温、低温环境中电堆性能相比常温环境会有下降。在离网供电系统实际运行的3904 h内,DMFC经历了0~40℃的环境温度波动,电堆以160 mA·cm-2的电流密度运行了1491 h,其性能可保持为初始状态的94.7%。研究表明,DMFC具有较强的环境适应能力,有利于提高离网供电系统的可靠性。

等效电路模型法预测动态工况下微型直接甲醇燃料电池剩余使用寿命

微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)具有能量密度高、可便携使用、快速补能以及环境友好等优点.然而,由于膜电极在电化学反应中会退化,μDMFC的有效使用寿命有限,所以需要对其健康状态与剩余使用寿命进行评估,为燃料电池改性和控制策略提供决策支持.在结合数据驱动和机理模型预测方法的基础上,针对动态运行工况,提出一种基于等效电路模型(ECM)的μDMFC剩余使用寿命预测方法.在燃料电池的性能退化指标中,电池输出电压可以被实时监测从而获得电池的退化趋势,但这一指标无法单独提供精确的预测结果.通过测量电化学阻抗谱并结合ECM可以得到电池内部阻抗等深层信息,但这些深层信息不易被实时监测,通常只能低频离线测量.此外,燃料电池在实际应用中多处于变工况状态,其退化趋势和使用寿命受工作环境影响,传统基于电压退化趋势回归的预测方法无法应对工况的动态变化.因此,可通过定期离线获取内部退化参量建立预测模型.实验结果表明:与传统数据驱动的方法相比,基于内部退化参量的预测方法能更好地适应变工况环境,在燃料电池剩余使用寿命预测中具有更好的性能.

Bi掺杂的直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展

发展可替代能源对缓解全球能源问题具有重要意义。直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell,DMFC)因其工作温度低、能量密度高以及污染物排放少等特性,正逐渐成为最有发展前景的便携式能源技术之一。目前,其商业化进程主要取决于甲醇氧化反应(methanol oxidation reaction,MOR)的动力学快慢、催化剂的成本和寿命。Bi元素的掺杂可以极大地提高甲醇电催化氧化的性能,并且可以提高阳极催化剂抵抗CO中毒的能力。介绍了掺杂Bi的贵金属和非贵金属阳极电催化剂,以及贵金属掺杂Bi_(2)O_(3)、Bi_(2)WO_(6)等光辅助电催化剂;综述了它们提高甲醇电催化氧化性能的机制,并展望了阳极Bi电催化剂在DMFC中所面临的机遇和挑战。

直接乙醇燃料电池阳极催化材料研究进展

与直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell, DMFC)相比,直接乙醇燃料电池(Direct ethanol fuel cell, DEFC)具有来源丰富、毒性低、生产和处理过程中成本较低和能量密度较高等特点,可以大量减少对传统燃料的依赖,缓解当前日益突出的世界能源危机。本文主要介绍了DEFC阳极催化剂材料的最新研究进展,如铂基和钯基催化剂的微观结构设计、成分控制和催化剂载体的优化以及一些基于过渡金属(Fe、Co、Ni等)的非贵金属催化剂等。最后,指出了DEFC阳极催化剂目前存在的问题(成本较高、活性较低和稳定性差等)并进行了展望。

杂原子掺杂碳材料在直接甲醇燃料电池催化剂中的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFCs)是解决能源短缺和环境污染问题的清洁能源之一。甲醇氧化反应(MOR)和氧还原反应(ORR)是DMFCs重要的电极反应,然而其迟缓的动力学过程严重制约其商业化进程。碳材料因具有低成本、高比表面积、发达的孔结构而备受关注。杂原子(氮、硫、磷、硼等)掺杂不仅有助于改善碳的表面惰性来提高导电性能和增加缺陷位点,还能通过强化金属-载体间相互作用提高电化学活性。因此,研发杂原子掺杂碳材料作为ORR催化剂和MOR催化剂载体对推动DMFCs的商业化具有重要意义。综述了杂原子掺杂碳材料常见的制备方法及其在ORR和MOR领域的研究进展,并展望多组分共掺杂、材料稳定性的提升及催化机制的深入剖析是未来研究的方向。

稀土在直接甲醇燃料电池铂基催化剂中的应用及研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFC)以其高效、低污染的特点而备受关注。铂基电催化剂被认为是DMFC阳极的有效催化剂。但由于在甲醇氧化过程中铂的活性中心容易被产生的中间产物如CO等吸附和堵塞,导致催化活性降低,稳定性差,严重制约了直接甲醇燃料电池推广应用。稀土元素由于其4f轨道独特的电子结构和相应的镧系收缩效应,在铂基电催化剂中可有效提高铂催化剂的活性和耐久性。本文简要总结近年来稀土氧化物作为铂基电催化剂的助催化剂、碳材料掺杂改性剂和载体在甲醇氧化反应中的催化活性和抗CO中毒能力应用研究,以及铂-稀土金属(Pt-RE)纳米合金催化剂对DMFC长期运行稳定性的影响;并对稀土元素在铂基电催化剂中的应用发展提出了展望。

直接乙醇燃料电池阴极制备与装配工艺优化实验设计与实施

为优化直接乙醇燃料电池的阴极催化剂,该文采用化学还原一步法分别制备出以活性炭、纳米碳和多壁碳纳米管为载体的Pt/C催化剂,研究了载体对催化剂性能的影响,并确定纳米碳为最优载体。以纳米碳为载体,采用相同工艺制备出具有核壳结构的Pt-Fe和Pt-Co合金催化剂,将其与Pt/纳米碳催化剂进行对比分析,探究了Fe、Co两种过渡金属对催化剂氧还原性能、稳定性等的影响,最终获得性能优于商业Pt/C催化剂的Pt-Fe/纳米碳合金催化剂。改进了电极制备及单电池装配工艺,提高了电池性能和实验成功率。

直接甲醇燃料电池电催化剂研究进展

直接甲醇燃料电池具备低温快速启动、燃料洁净环保和电池结构简单等优点,工业化和实用化前景日益明朗,显示出较好的发展势头。开发实用性强、催化活性高、成本低的催化剂以提高直接甲醇燃料电池的效率受到越来越多研究者的关注。本文综述了直接甲醇燃料电池核壳型催化剂、合金型催化剂和贵金属型催化剂的制备方法、表征手段和催化性能,研究了不同催化剂存在的问题、优势及发展趋势。

直接甲醇燃料电池高海拔环境适应性研究

设计并制造了直接甲醇燃料电池(DMFC),额定输出功率为50 W,常压下比能量可达510 Wh/kg(连续72 h额定功率输出时)。DMFC分别在上海和拉萨进行了测试,相应地对比了常规气压和高海拔低气压环境中的运行性能。实验结果表明:在海拔3685 m环境中,电堆工作电流密度120 mA/cm^(2),DMFC可以实现稳定运行;高海拔下电堆电压约为常压环境下的95.3%;高海拔下平均燃料消耗速率相比常压环境会有增加;高海拔下DMFC起动时间与常压环境下无明显差异;高海拔时水的回收速度比常压下缓慢;电堆在高海拔环境下工作2000 h后,性能仍可保持初始状态的87.8%,平均单电池电压衰减速度约30μV/h。

直接乙醇燃料电池中阳极催化剂的研究进展

直接乙醇燃料电池(DEFCs)中的阳极催化剂,在电池反应中起着至关重要的作用,但也存在成本高、乙醇的氧化效率低、耐久性差、易中毒等问题,严重阻碍了DEFCs的商业化。本文综述了提高电催化剂性能的有效策略,以期为进一步探索DEFCs提供参考。

直接甲醇燃料电池(DMFC)改性阳极催化剂的研究进展

介绍了国内外直接甲醇燃料电池(DMFC)的研究状况及其工作原理,阐述了DMFC阳极改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,探讨了电催化剂的发展方向。

直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极过渡金属基催化剂的研究进展

发展可替代能源对缓解全球能源问题具有重要意义.直接甲醇燃料电池(DMFC)因其工作温度低、能量密度高以及低污染物排放特性正逐渐成为最有发展前景的便携式能源技术之一.目前,其商业化进程主要取决于阳极甲醇氧化反应(MOR)的动力学快慢.贵金属作为最常用的阳极催化剂得到了广泛的研究,但是其稀缺性以及易受COads中间产物中毒影响限制了其应用.考虑到以上问题,具有优异抗中毒能力的低Pt或者非Pt纳米催化剂的设计和研发变得十分重要.本文从DMFC阳极电催化原理出发,总结了过渡金属基催化剂(过渡金属−贵金属催化剂、过渡金属催化剂以及自支撑催化剂)在MOR中的研究进展.重点强调了纳米催化剂的组成成分、多孔结构、高指数面、晶体缺陷以及顶点增强效应等对其电化学性能的影响.最后,展望了过渡金属基电催化剂在DMFC中所面临的机遇和挑战.

液相进样直接甲醇燃料电池性能研究

报道了用研制的Pt-Ru/C催化剂, 采用特殊工艺制备了膜电极, 并组装了直接甲醇质子交换膜单电池系统。考察了电极扩散层制备方法、催化剂层中催化剂、Teflon-C以及Nafion液的用量等电极制备工艺条件以及空气作为氧化剂对单电池性能的影响。结果表明：采用刷涂法制备电极扩散层比喷涂法好，催化剂层中催化剂的优化含量为0.6mg·cm-2，Teflon-C、Nafion液的最佳用量分别为0.3 mg·cm-2、0.5 mg·cm-2。当工作温度为80℃时，输出电压为0.3V，氧气作为阴极气体的输出电流密度为36mA·cm-2；而空气作为阴极气体的输出电流密度为22.5mA·cm-2。膜电极有效面积为9cm2的的液相进样直接甲醇/氧气燃料电池三电池电堆的最大功率为0.285W，此时输出电压为0.7V，输出电流为0.407A；而液相进样直接甲醇/空气三电池电堆的输出电压为0.635V，输出电流为0.252A时，最大功率为0.160W。

甲酸作直接甲醇燃料电池替代燃料

研究了甲酸作直接甲醇燃料电池(DMFC)替代燃料的性能。结果发现,虽然甲酸的能量密度不到甲醇的1/3,但由于甲酸在碳载Pt-Ru(Pt-Ru/C)电极上电化学氧化性能远优于甲醇,故其氧化峰峰电位和起始氧化电位分别比甲醇负移约100和300 mV。加上甲酸对Nafion膜的透过率约只有甲醇的1/5。因此,在DMFC中,甲酸是一种比较好的甲醇替代燃料。

直接甲醇燃料电池阳极催化剂PtRu/C的制备和表征

用三种方法制备了PtRu/C[Pt和Ru质量分数分别为20％和10％,记为PtRu/C(20％-10％)]甲醇阳极催化剂,通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)考察了PtRu/C催化剂的粒子大小和晶格参数的变化,利用单电池实验考察了催化剂在直接甲醇燃料电池中的催化活性。结果表明,改变溶剂的组成提高了贵金属在活性炭表面的分散度,并改善了PtRu间的相互作用,用乙二醇/水/异丙醇混合溶剂制备的PtRu催化剂金属颗粒较小,PtRu间的相互作用较强,以该催化剂作甲醇阳极的直接甲醇燃料电池的性能较好。