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
直接甲醇燃料電池(DMFC)因其能量密度高,運(yùn)輸、儲(chǔ)存方便,污染小等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。但是DMFC大量使用Pt基催化劑使其價(jià)格高昂,同時(shí)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(jìn)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(jì)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(shí)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算研究其反應(yīng)機(jī)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(shí)OH的吸附能增大,促進(jìn)了Pt表面吸附的甲醇分子的氧化,使獲得得到顯著提高。
圖2 碳化硅基體上Pt顆粒在不同厚度碳層上甲醇氧化機(jī)理示意圖
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)。
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