山西煤化所燃料電池催化劑設(shè)計研究取得進展

更新時間：2019-08-23

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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)模化DMFC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）。

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

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。