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制备新型镍基纳米复合结构用于氢气氧化反应电催化剂

时间:2017-06-19

燃料电池是一种清洁、高效的能源转化装置,直接将化学能转化为电能,是未来理想的能量获取装置。然而,目前燃料电池大量使用Pt催化剂,造成成本过高,阻碍了它的实用化进程。因此,开发廉价的新型非贵金属燃料电池催化剂取代Pt,成为了目前研究的热点与难点。但是目前对于非贵金属的燃料电池阳极催化剂(催化氢气氧化反应,HOR)鲜有报道。针对这一问题,庄仲滨教授通过纳米复合材料调控吸附能的方法,设计并合成了镍负载于氮掺杂碳纳米管(Ni/N-CNT)的复合纳米结构,展现出了优异的HOR催化性能。氮掺杂的碳纳米管本身并不具备HOR催化活性,但是它与Ni纳米颗粒复合之后,利用它们之间的协同作用,使Ni纳米颗粒的HOR催化活性有了显著的提高,其质量活性到达了单纯Ni纳米颗粒的33倍,交换电流密度达到了单纯Ni的21倍。通过DFT计算也表明,Ni在与氮掺杂的碳纳米管复合后,其氢吸附性能显著改变,对于氢的吸附强度趋于适中,同时也增强了Ni纳米颗粒的结构稳定性,使得复合纳米结构催化剂的性能得到了很大的提升。这为降低燃料电池成本打下了坚实的基础。相关研究成果发表在《自然•通讯》期刊上(Nature Commun., 2016, 7, 10141)。

  

针对其他类型的燃料,庄仲滨教授也通过制备复合催化材料的手段获得更高的催化性能。通过原位磷化PdNi纳米颗粒,获得了Pd-Ni-P三元复合电催化剂,其甲酸氧化电催化质量活性较之Pd纳米颗粒有15倍的提升。通过对催化剂结构的详细表征分析,表明甲酸氧化电催化活性的提高来自于磷化过程形成多孔结构增大表面积以及复合材料对电子结构的调控作用。相关研究成果发表在《化学通讯》期刊上(Chem. Commun. 2016, 52, 11143)。

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