PtCo合金电催化剂在燃料电池氧还原催化中的研究现状与进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效、低温、环保等优点,是解决能源短缺和环境污染双重问题的潜在方案。然而,其阴极氧还原反应(ORR)中迟缓的动力学过程不得不依赖稀缺昂贵的Pt基催化剂,这阻碍了PEMFC技术的进一步发展和应用。为了降低成本并保证高效的催化性能,近年来研究人员已开发了多种技术策略,引入过渡金属与Pt合金化为主要策略之一,特别是PtCo双金属催化剂,它表现了更优异的ORR催化性能。本文综述了PtCo合金催化剂在PEMFC氧还原催化中的最新进展和现状,总结了催化剂组分控制、粒径调控、晶面调控、掺杂等调控策略对燃料电池催化活性的影响,详细介绍了最有前途的PtCo合金结构,如多面体、核壳、纳米框架、有序金属间结构等PtCo合金催化剂,并对催化剂载体研究进行了讨论,最后指出了PtCo合金催化剂在其应用中存在的挑战以及未来前景。

PtCo合金的光学、热学结构优化设计

成功地制备了以PtCo合金膜为磁光层的四层膜结构。基于该结构研究了各层厚度对克尔转角、反射率及品质因子的影响，给出了多层膜结构的光学优化结构。通过热学优化，给出了适应于该体系磁光记录的可能最佳结构。比较发现，在考虑反射率的条件下，克尔转角的增强是以牺牲反射率为代价的，因此，选择各层优化厚度必须综合考虑磁光层温度、反射率、克尔转角等热、光学因素。最后，给出了可能的热、光学综合优化结构。

时效工艺对PtCo合金磁性能的影响

研究了时效温度对PtCo合金磁性能的影响.磁性能测量结果显示,随着时效温度的增加合金的剩磁逐渐减小,时效温度为690℃时,合金的矫顽力达到最大值.第一步时效处理后,合金的有序度S随时效温度的提高而增加,长程有序度的增加说明合金有序相的晶粒尺寸也在增加,这是合金矫顽力变化的根本原因.第二步时效处理后,PtCo合金的微观组织结构不发生改变,有序相的各向异性场增大,使合金的矫顽力增大.

空心PtCo/CNTs催化剂的合成及其电催化性能

为了改善铂基合金纳米粒子对甲醇氧化的电催化性能,用金属置换反应途径制备了空心结构的PtCo合金纳米粒子,并将其负载到碳纳米管(CNTs)载体上,得到了用于直接甲醇燃料电池的空心PtCo/CNTs阳极电催化剂,用透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)和能量散射X-射线能谱(EDX)对催化剂进行了表征.结果显示,所合成的PtCo空心纳米粒子具有均匀的外径,其平均值为14.4 nm,并高度分散在碳纳米管载体上.循环伏安实验和计时电流实验表明,PtCo/CNTs催化剂对甲醇的氧化具有较高的电催化活性和良好的电催化稳定性能.

Pt_xCo_(1-x)(x=0.48～0.51)合金的磁性能和晶体结构

系统研究了等原子比附近不同Pt、Co原子比的PtCo合金的磁性能和晶体结构。采用电弧炉熔炼方式制备了原子比为PtxCo1-x（x=0.48-0.51）的合金,热处理后磁测量结果显示,随着Pt含量的增加,合金的剩磁逐渐减小,矫顽力逐渐增大。合金的X射线衍射结果表明：时效热处理后,随着Pt含量的增加,合金面心四方结构的有序相的c/a值逐渐减小,c/a值的减小增大了四方晶格结构的a与c方向的不对称性,使有序相的磁晶各向异性场增大,提高了合金的矫顽力。

铂钴合金纳米电催化剂的制备及性能研究

研制高活性的电催化剂是实现质子交换膜燃料电池的商业化应用必须解决的关键技术之一。本研究以三乙胺为碱性络合剂、硼氢化钠为还原剂,采用液相合成法制备PtCo纳米合金电催化剂,再通过高温热处理实现最佳电化学性能。采用各种表征方法对催化剂的微观结构及电化学性能进行测定,探究硼氢化钠、三乙胺的添加量及高温热处理对催化剂电化学性能的影响。结果显示,适量的硼氢化钠可提升催化剂的电化学活性面积,三乙胺可以改变催化剂的质量活性,高温热处理能有效提升催化剂的质量活性,极大提升催化剂的氧还原反应(ORR)能力;在同一测试体系下,添加100 mg硼氢化钠及100μL三乙胺在500℃高温热处理条件下制备的PtCo纳米合金电催化剂的质量活性达到133 mA/mgPt,是田中贵金属工业株式会社(TKK)商用PtCo合金催化剂的3倍。

类超晶格结构:有序性传质赋予燃料电池高品质输出性能

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种强耦合、复杂非线性、动态的、多输入多输出的能量转换装置,不容易达到或保持理想的工作状态。在动态的PEMFC的工作状态下,其输出的电流和电压是振动的、不稳定的,会对负载的使用和寿命造成很大的影响,严重时亦可损坏负载。该波动的电流或电压输出不仅直接决定着发电系统的成本,而且影响着有效的能量转换效率及电子原件和设备的寿命。基于此,本工作针对燃料电池动态特性及动态排水空间受限导致其电流不规则波动,进而影响输出电能品质和燃料电池系统及其他电子元件的寿命和维护成本等问题,开发了一种外延生长的方法制备排水空间可调控的抗溺水电极,通过调控载体的成核位点密度,形成一种具有不同排水空间的类超晶体结构微米级铂基催化剂。该催化剂制备的电极不仅表现出极佳的抗溺水性,在极低的电流振幅(25 mA·cm^(-2))下持续稳定的输出高品质电能,同时提高了铂的利用率,使其组成的MEA比功率密度达到11.69 W·mg_(Pt)^(-1),表现出极高的应用潜力。