山西煤化所燃料電池催化劑設(shè)計(jì)研究取得進(jìn)展

更新時(shí)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(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容易在不改變現(xiàn)有催化劑生產(chǎn)技術(shù)上，簡(jiǎn)單有效實(shí)現(xiàn)規(guī)模化DMFC生產(chǎn)的方法。為此，國(guó)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(guó)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(zhǎng)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）。

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(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。