圖1 商業(yè)Pt/C、Pt/SiC和Pt/SiC-C的(a) 循環(huán)伏安圖和 (b)抗CO溶出圖
圖2 碳化硅基體上Pt顆粒在不同厚度碳層上甲醇氧化機理示意圖
圖2 碳化硅基體上Pt顆粒在不同厚度碳層上甲醇氧化機理示意圖
直接甲醇燃料電池(DMFC)因其能量密度高,運輸、儲存方便,污染小等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。但是DMFC大量使用Pt基催化劑使其價格高昂,同時Pt易受到甲醇氧化反應(yīng)中間體(尤其是CO)的中毒而失活,從而嚴(yán)重限制了DMFC的商業(yè)化進展。在已有的提高Pt基催化劑活性和抗中毒能力,制取低成本和高穩(wěn)定性的Pt基催化劑的策略中,設(shè)計構(gòu)筑合適的催化劑載體是一種最容易在不改變現(xiàn)有催化劑生產(chǎn)技術(shù)上,簡單有效實現(xiàn)規(guī)?;疍MFC生產(chǎn)的方法。為此,國內(nèi)外研究者在不斷開發(fā)各種先進載體以獲得優(yōu)異性能。
近日,中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所童希立科研團隊在長期碳化硅研究基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)通過納米碳化硅載體支持,可以明顯減少Pt的使用量并保持活性(是商用Pt/C催化劑3倍以上),同時提高了其抗CO中毒能力(圖1)。具體過程是采用CCl4干法腐蝕SiC表面的Si原子,在SiC表面原位生成一層超薄碳,碳層的厚度通過腐蝕時間得到調(diào)控。該材料支持Pt催化劑,表現(xiàn)出優(yōu)異的催化甲醇氧化(MOR)性能,同時發(fā)現(xiàn)隨著碳層的增厚,催化劑氧化甲醇的性能隨之明顯提高,抗CO中毒能力和穩(wěn)定性等也得到大大改善。DFT計算研究其反應(yīng)機理表明(圖2),隨著表面碳層的增厚,催化劑Pt上CO的吸附能明顯減小,減緩了催化劑CO中毒現(xiàn)象;同時OH的吸附能增大,促進了Pt表面吸附的甲醇分子的氧化,使獲得得到顯著提高。
該研究得到國家自然科學(xué)基金等的資助與支持。相關(guān)工作以主封面形式發(fā)表在Small雜志(DOI:10.1002/smll.201902951)。
原標(biāo)題:山西煤化所燃料電池催化劑設(shè)計研究取得進展