Pt/MO_(x)/N-CNTs(M=Ce、Ti、Sn)电催化剂的制备及其甲醇氧化性能研究

以聚吡咯碳化得到的氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)为载体,采用一步法原位生长Pt和金属氧化物(MO_(x),M为Ce、Ti、Sn)纳米颗粒,制备了Pt/MO_(x)/N-CNTs电催化剂。通过对其进行表征,考察了Pt/MO_(x)/N-CNTs中不同MO_(x)结构特性对其甲醇电催化氧化活性的影响。结果表明,Pt/CeO_(2)/N-CNTs具有优异的甲醇电催化氧化活性[722 A/g(Pt)],分别是Pt/TiO_(2)/N-CNTs和Pt/SnO_(2)/N-CNTs的1.36和1.59倍。此外,CO溶出伏安曲线分析结果表明,抗CO中毒性能由强到弱依次是Pt/CeO_(2)/N-CNTs、Pt/TiO_(2)/N-CNTs和Pt/SnO_(2)/N-CNTs。通过对比不同Pt/MO_(x)/N-CNTs的结构特性和甲醇电催化氧化性能,为直接甲醇燃料电池的工业化应用提供基础。

微氧化MXene/MoS_(2)复合膜分离净化效能及稳定性增强机制研究

二维纳米材料由于优异的理化性质和易于调控的特点,在新型膜材料的开发与应用中受到了广泛关注.基于二维材料层层堆叠可以制备二维膜,而如何对二维膜进行结构性能上的改进是目前该领域聚焦的前沿问题.MXene膜是一种新型二维膜,在分离净化领域具有较大应用潜力.然而,目前MXene膜的分离净化效能主要受到膜的结构稳定性和改性方法的限制.本研究采用了通过异质纳米材料MoS_(2)插层,随后进行温和且快速预氧化,可获得稳定的纳米层状结构,从而得到一种MXene(Ti_(3)C_(2)Tx)/MoS_(2)高性能复合膜.MXene/MoS_(2)复合膜的水通量显著提高,对目标污染物染料的去除率高达99.9%.与未氧化的MXene膜相比,复合膜对NaCl和MgCl_(2)的渗透抑制效率分别提高了48.4%和82.0%.此外,复合膜在结构/外观和通量方面表现出长期的稳定性.因此,利用预氧化/插层法制备的复合膜对MXene膜结构调控和性能优化提供了新策略和新思路.

Cu基CO2合成甲醇催化剂载体的研究进展

氧化物载体与Cu之间的相互作用、CO2的活化位点、表面反应机理、表面反应路径直接影响CO2催化加氢的产物分布。因此,探明不同金属–载体的相互作用和界面微观结构至关重要。本文综述了CO2催化加氢合成甲醇Cu基催化剂载体的研究现状,重点综述了ZnO、ZrO2、CeO2、TiO2这4种具有氧空位的载体,并简单总结了SiO2、Al2O3、Zn-Zr、Ce-Zr、钙钛矿等其他氧化物载体。Cu与ZnO之间的强金属相互作用(SMSI)所形成的Cu/ZnOx是主要的活性位点,对其微观结构与反应机理研究得较为充分;对Cu/ZrO2的研究主要集中在ZrO2晶相的影响,不同的研究者所获得的结论尚存在争议;对Cu/CeO2的机理研究停留在反向CeO2/Cu(111)模型表面,负载型催化剂上不同晶面的CeO2与Cu的相互作用强度不同,并影响反应性能;Cu/TiO2中TiO2的影响因素较多,如晶型、晶面等,目前对其研究尚不全面。最后,本文分析并展望了CO2加氢制甲醇催化剂载体的研究方向,未来将采用与实际催化剂一致的正向模型表面进行基础研究,并基于原位表征手段对反应过程中催化剂的结构变化进行探索,最终设计高效、低成本的多元复合物载体的Cu基催化剂。

NiMn2O4尖晶石氧化物阴极的制备及电化学性能研究

高性能阴极材料的开发对推动中温固体氧化物燃料电池(intermediate temperature solid oxide fuel cells,IT-SOFCs)的发展具有重要意义。本文采用溶胶-凝胶法制备了尖晶石型NiMn2O4(NMO)电子-离子混合导体材料,并作为IT-SOFCs阴极进行了系统的研究,通过X射线衍射表征确定NMO材料呈稳定的立方相结构,并采用电导弛豫方法对其氧离子传导能力进行了研究。发现NMO具有优秀的氧离子传导能力,为其电化学性能提供了保障。对称电池的电化学阻抗谱测试结果表明,800℃时NMO阴极材料的界面电阻值为0.27Ω·cm^-2,同时作为阳极支撑型SOFC的阴极材料进行放电时的最大功率密度可以达到864.9 mW·cm^-2。上述结果表明,NiMn2O4是一种极具潜力的IT-SOFCs阴极材料。

重整催化剂的抗硫性能研究进展

基于固体氧化物燃料电池(SOFC)的烃类原位重整供氢技术是重要的分布式和小型化制氢方案。传统镍基重整催化剂在烃类重整过程中,原料中微量的硫化物即可使催化剂中毒失活,严重时还可能造成巨大的安全隐患。本文梳理总结了催化剂硫中毒的机理,简述了天然气、液化石油气、液态烃重整原料中硫化物的组成和含量,重点分析了已报道的用于重整反应的抗硫催化剂并总结了有效可行的催化剂抗硫方案,并从重整制氢催化剂的硫中毒机理指导高效抗硫催化剂的开发。最后,文章指出,重整催化综合性能的提升、重整原料的预处理和重整反应器设计等综合抗硫策略也是重要的研究方向。

金属有机框架及其衍生物在甲醇电催化氧化中的应用研究进展

金属有机框架(MOFs)因多孔性、大比表面积、可设计性等优点,在直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极甲醇氧化反应(MOR)中备受关注。对MOFs及其衍生物在酸性和碱性DMFC体系中MOR的应用进行了综述,并对其未来发展方向进行了总结和展望。

原位双金属纳米颗粒YST复合阳极的构筑及其直接碳催化性能研究

研究了原位Cu析出和CuCo双金属析出的钇掺杂钛酸锶(YST)材料在作为直接碳燃料电池(DC-SOFCs)阳极时的结构及性能。首先采用燃烧法制备系列Co掺杂的Y0.08Sr0.92Ti0.9-xCu0.1CoxO3-δ(x=0,0.1,0.2,0.3)阳极材料。通过XRD、SEM、TEM等表征材料微观结构,结果表明Co掺杂量达到0.2时,氢气还原后的阳极材料析出均匀分布的CuCo双金属纳米颗粒。电导率测试表明CuCo双金属纳米颗粒有效提高了材料的电导率。CO氛围下的阻抗测试表明,析出CuCo双金属纳米颗粒的Co0.2阳极材料具有最小的极化阻抗,催化活性优于其他阳极材料,以其作为阳极的电池在800℃和碳为燃料时,最大功率密度可达591 mW·cm^-2,且具有良好的稳定性,是一种优异的DC-SOFC阳极材料。

CoMoS_(x)/CeO_(2)-γ-Al_(2)O_(3)催化剂的制备及其催化还原SO_(2)的性能

采用等容浸渍法引入少量CeO_(2)助剂制备了CoMoS_(x)/CeO_(2)-γ-Al_(2)O_(3)催化剂。通过X射线衍射(XRD)、高角环形暗场像-扫描催化剂的形貌结构、还原性、吸附性能及反应过程等进行了表征,利用固定床反应器研究了其催化CO还原SO_(2)的催化性能及稳定性。结果表明:少量CeO_(2)的引入可以降低反应温度,随着CeO_(2)含量的增加,CoMoS_(x)/CeO_(2)-γ-Al_(2)O_(3)催化剂的催化活性先增剂具有优异的稳定性;等容浸渍法制备的催化剂表面的金属元素分散良好;CeO_(2)的引入提高了催化剂的硫化程度和低温还原进行。

基于Pt-金属氧化物协同效应的碳负载Pt基催化剂构建及其甲醇电催化氧化性能研究进展

直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFCs)具有能量密度高、结构紧凑、污染小等优点,被认为是世界上最有前途的技术之一。在该系统中,阳极催化剂是商业化应用面临的主要挑战。纳米金属氧化物在甲醇氧化反应(MOR)中能与Pt形成电子效应和双功能效应,有利于改善催化剂的抗CO中毒能力。此外,Pt、纳米金属氧化物和碳基材料的协同效应使其具有高活性和稳定性,在MOR催化剂中极具应用潜力。对近年来Pt-金属氧化物-碳基催化剂的结构设计与制备和在MOR中的性能进行了综述,指出了其存在的问题和发展趋势,以期为开发性能优良的DMFCs阳极催化剂提供科学依据。

固体氧化物电解池制氢关键技术及产业化进展

随着双碳目标和能源革命的持续推进,氢能作为重要的清洁能源受到广泛关注。在众多的制氢途径中,固体氧化物电解池(solid oxide electrolytic cell,SOEC)电解水制氢被认为是最有前景的制氢途径之一。为更好地服务SOEC电解水制氢的产业化发展,对SOEC技术的研究现状和面临的挑战进行了系统梳理。虽然SOEC电解水制氢具有制氢效率高、环境污染小、余热高效利用等优点,但在长时间稳定运行和大规模集成上还有许多难点问题亟需解决,目前国内SOEC产业化尚在起步阶段,与国外发展水平还有一定的差距。提升材料的稳定性、优化系统控制是SOEC技术的重点发展方向。此外,加快SOEC产业化进程还需要协同发展上下游产业链,进一步降低制备成本。随着技术的成熟,SOEC有望在化工、分布式能源等领域获得广泛的应用。

碳燃料固体氧化物燃料电池结构研究进展

直接碳燃料固体氧化物燃料电池(direct carbon-fueled solid oxide fuel cells,DC-SOFC)是一种通过电化学过程将碳燃料的化学能直接转化为电能的发电装置,具有优异的发电效率、高的燃料利用率及低的碳排放。然而,相比气体和液体燃料,固体燃料的流动性较低,因此如何提高固体燃料传输速率并有效促进阳极反应动力学过程,以及在工作状态下高效、便捷地添加燃料是目前DC-SOFC要解决的关键问题。本文综述了近年来直接碳固体氧化物燃料电池结构的研究进展,总结了电池宏观结构与阳极微观形貌方面的发展,讨论了碳燃料固体氧化物燃料电池亟待解决的问题及发展方向。

气体发生剂产气燃料研究进展

简介了气体发生剂的组成与应用。重点评述了唑类、胍类和嗪类等产气燃料的爆炸性能与国内外合成的研究进展。对比了传统叠氮类气体发生剂的性能,指出具有高产气量、燃速快、低燃温、热稳定性好、工艺性能好、无毒性、绿色环保等优点的新型气体发生剂是今后的研究重点。

中空硫球-MoS_(2)/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球(HS),通过水热法制备纳米花状MoS_(2)/还原氧化石墨烯(MoS_(2)/rGO),随后将MoS_(2)/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS_(2)/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS_(2)/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS_(2)/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。

双金属硫化物CuCo2S4的合成及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因较高的比能量近年来得到了广泛的关注,然而其发展需要克服中间产物的穿梭效应、硫的绝缘性和正极体积膨胀等诸多问题。为了有效抑制穿梭效应,采用普鲁士蓝类似物衍生的方法合成了一种尖晶石结构的双金属硫化物CuCo2S4,并将其用于锂硫电池正极。利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS等手段对合成的材料的晶体结构、形貌等性质进行分析,采用循环伏安法及恒流充放电对CuCo2S4-S复合正极的电化学性能进行测试。研究表明,CuCo2S4-S正极展现出优异的电化学性能,在0.2C倍率下首次放电容量为959 mA·h·g^−1,经过100个循环后容量保持在591 mA·h·g^−1。较高的放电比容量和良好的循环稳定性归因于CuCo2S4材料内部的中空结构可容纳活性物质硫,并起到物理限域作用;同时,极性CuCo2S4可有效地化学吸附多硫化物,抑制多硫化物的穿梭效应造成的容量损失。

苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐三元共聚物的合成、性质及应用

采用溶液及微乳液两种聚合法,合成苯乙烯-N-苯基马来酰亚胺-马来酸酐(St-NPMI-MAH)三元共聚物。通过IR,1HNMR,13CNMR,GPC表征共聚物结构,溶液聚合产物为嵌段共聚物,乳液聚合产物为无规共聚物。采用DSC、TGA研究共聚物的热性能,溶液聚合产物的玻璃转化温度为212.9℃,5%热失重温度为348℃;微乳液聚合产物的玻璃转化温度为214.4℃,5%热失重温度为374℃。

用于水质净化的氧化石墨烯膜研究进展

氧化石墨烯膜具有超高的水通量、可控的层间距以及卓越的分离性能,这些优异的特性使氧化石墨烯膜有望成为新一代膜材料并用于水环境中物质的精确分离。对氧化石墨烯膜的研究已经取得了许多重要的成果,本文系统地阐述了用于水质净化的氧化石墨烯膜的结构特性和构效关系,总结了氧化石墨烯膜典型的制备方法,重点介绍了氧化石墨烯膜的改性方式,概述了氧化石墨烯膜在多种水环境中的应用,总结并展望了氧化石墨烯膜的发展方向,为设计和合成高性能氧化石墨烯膜用于水质净化提供新的思路。

生物质碳在直接碳固体氧化物燃料电池中的应用

研究活性炭和碳化的梧桐叶、橘子皮为直接碳燃料电池燃料时的物化性能和电化学性能.通过X射线衍射研究燃料中碳的形态结构,采用能谱及拉曼研究燃料中元素质量分数.BET测试燃料的比表面积及孔结构.结果表明,碳化的橘子皮燃料中含有钾元素和较高的无定形碳质量分数,有利于碳的Boudouard反应和电化学反应.碳化橘子皮燃料比表面积为74 m^(2)•g^(-1),且具有较小的孔隙率和较大的堆积密度,与阳极的接触界面较大,作为燃料时,800℃燃料电池最大功率密度可达572.6 mW•cm^(-2).即非木质、水质量分数大的橘子皮经过高温碳化后得到的生物质碳,作为直接碳燃料燃料电池燃料时,具有优异的性能.

锂硫电池中间层的研究进展

锂硫电池因其能量密度高、成本较低、绿色环保等特点近年来受到广泛关注,但是当采用醚类电解液时,反应的中间产物会发生溶解穿梭导致活性物质流失和库仑效率低等严重问题,在正极和隔膜之间嵌入功能性中间层是解决这些问题的有效手段。对近年来锂硫电池中间层的研究进展进行了介绍,从抑制多硫化物扩散、降低正极界面电阻以及提升反应动力学三个方面对中间层进行分类总结,并展望了锂硫电池功能性中间层未来的设计方向和发展前景。

B位Mn掺杂Sr_2Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)作为中温固体氧化物燃料电池阳极的性能

采用溶胶-凝胶燃烧法合成出Sr_2Fe_(1.4)Mn_(0.1)Mo_(0.5)O_(6-δ)(SFMn0.1M)材料,并将其作为中温固体氧化物燃料电池的阳极.表征了SFMn0.1M材料的晶体结构、微观形貌、元素价态、电导率和电化学性能.X射线衍射表明Mn取代后,SFMn0.1M依然保持了立方钙钛矿结构,扫描电子显微镜观察到其微观形貌为三维多孔结构.SFMn0.1M作为SOFCs阳极显示出优异的电化学性能,在800℃下SFMn0.1M的电导率为14.7S·cm^(-1),以SFMn0.1M为阳极材料组装单电池,H_2作为燃料,其最大功率密度在800,750,700和650℃下分别为565.2,385.2,303.9和141.2mW·cm^(-2).因此,SFMn0.1M在作为IT-SOFC阳极材料时表现出巨大的潜力.

原位析出纳米合金的PrBaFe_(2)O_(6-δ)基阳极构筑及其在固体碳燃料电池中的应用研究

开发高性能阳极材料对于固体碳为燃料的固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFCs)的发展意义重大。本文研究了原位析出Fe以及FeNi合金的PrBaFe_(2)O_(6-δ)(PBF)基层状双钙钛矿材料在SOFCs中的应用。通过溶胶-凝胶法制备了Ni掺杂的(PrBa)_(0.95)Fe_(1.7)Ti_(0.2)Ni_(0.1)O_(6-δ)(PBFTN)阳极材料。XRD表明合成的材料呈现钙钛矿结构且在阳极还原性气氛下保持稳定。XRD、SEM、TEM、XPS结果表明在还原性气氛下材料表面析出大量均匀分布的纳米金属颗粒。当采用纯的纳米活性炭为燃料时,电解质支撑型的以PBFTN为阳极的单电池在800℃下实现了698 mW·cm^(-2)的最大功率密度,性能十分优异,表明其是一种具有潜力的SOFCs阳极材料。