科學家在直接甲醇燃料電池催化劑研究中取得新進展

    鋰電世界  目前和今后很長時期內，我國能源結構仍將是以煤炭為主，但是煤炭的開發和加工利用已經成為環境污染物排放的主要來源，近年來全國各地出現的霧霾天氣更是引起人們的高度關注。因此，發展潔凈煤技術是我國能源發展的必然選擇。

    燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的清潔高效的發電器件，是解決目前化石類燃料燃燒發電效率低和污染環境的最有效手段之一，一直是國際上清潔能源領域的研究熱點，可以真正實現將煤的利用“由黑變綠”。目前，由煤制甲醇和合成氣的生產技術成熟，成本低。近年來，中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)清潔能源實驗室副研究員孫春文和中國工程院院士陳立泉圍繞煤炭的清潔高效利用這一課題，致力于碳基燃料的固體氧化物燃料電池（SOFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）的研究。其中，DMFC是以甲醇為燃料，離子交換膜為電解質的一類燃料電池。與其它質子交換膜燃料電池相比，DMFC最顯著的特點是不用氫氣。甲醇價格便宜，儲存、攜帶方便，并且有完整的生產銷售網絡。DMFC尤其適用于交通工具和便攜式電源，此外，也可應用于軍事潛艇、單兵作戰電源等，應用前景十分廣闊。但是，開發具有高催化活性和抗CO毒化的甲醇電氧化催化劑仍然是目前DMFC面臨的兩大挑戰。

    最近孫春文、陳立泉和博士生楊偉與先進材料實驗室副研究員馬超、研究員李建奇以及北京工業大學教授李釩研究組、哈爾濱工程大學教授陳玉金研究組合作研究了一種新型高活性、抗CO毒化的直接甲醇燃料電池（DMFCs）催化劑Pt/Mo2C納米管。催化劑設計策略為：利用了一維Mo2C納米管優良的電子傳輸特性以及Mo2C在酸性環境中優異的抗腐蝕性能；通過原子層沉積技術（ALD）可控地在Mo2C納米管表面均勻地沉積了直徑為2~6nm的高活性Pt納米顆粒。研究發現，該催化劑對甲醇電化學氧化的催化活性比目前商品Pt/C和PtRu/C催化劑都高。更重要的是，他們觀察到在Mo2C納米管表面可控地生成了一層有利于甲醇溶液中OH吸附的MoOx層，從而為甲醇電氧化反應提供了一個OH“儲存池”；扮演了與PtRu/C催化劑中Ru在活化水解離生成羥基方面相似的角色。CO溶出伏安實驗結果表明，該催化劑表現出比商品PtRu/C更優異的抗CO毒化性能。隨后他們與加拿大光源Jigang Zhou和Jian Wang博士等人合作利用同步輻射吸收譜和目前世界上最先進的掃描透射X射線顯微鏡(STXM)證實了在Pt納米顆粒和Mo2C納米管之間存在強的化學相互作用，Pt和Mo2C之間存在協同催化效應，首次從實驗上給出了證據。這種催化劑設計不僅降低了Pt的用量，而且顯著地改善了其在甲醇氧化條件下的耐久性，為設計下一代高活性催化劑提供了一種新的思路，被編輯和審稿人評價為“燃料電池領域的一項重大進展”。相關結果近期發表在《自然》雜志子刊NPG Asia Materials 7, e153 （2015）。楊偉為共同第一作者，孫春文為通訊聯系人。

    該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部“973”項目和中科院的資助。

圖1. 在Mo2C納米管上原子層沉積Pt納米顆粒示意圖

圖2. 在ALD600Pt/Mo2C與商品Pt黑, Pt/C和PtRu/C催化劑上甲醇電氧化的循環伏安曲線比較，溶液為0.5 M H2SO4和0.5 M CH3OH，掃速100 mV s-1，溫度為25oC

圖3. CO溶出伏安曲線：(a) 商品PtRu/C催化劑，(b) ALD600Pt/Mo2C納米管催化劑；掃速50 mV s-1

圖4. 掃描透射X射線顯微鏡C K-邊光學密度圖像：(a) ALD600Pt/Mo2C, (b) ALD600Pt/Mo2C/甲醇, (c) Mo2C/甲醇, (d)從(a), (b)和(c)選定區域得到的C K-邊空間分辨的X射線近邊吸收結構譜