DMFC催化劑研究中取得新進展

據http://www.cas.cn/報道：目mu前qian和he今jin後hou很hen長chang時shi期qi內nei，我wo國guo能neng源yuan結jie構gou仍reng將jiang是shi以yi煤mei炭tan為wei主zhu，但dan是shi煤mei炭tan的de開kai發fa和he加jia工gong利li用yong已yi經jing成cheng為wei環huan境jing汙wu染ran物wu排pai放fang的de主zhu要yao來lai源yuan，近jin年nian來lai全quan國guo各ge地di出chu現xian的de霧wu霾mai天tian氣qi更geng是shi引yin起qi人ren們men的de高gao度du關guan注zhu。因yin此ci，發fa展zhan潔jie淨jing煤mei技ji術shu是shi我wo國guo能neng源yuan發fa展zhan的de必bi然ran選xuan擇ze。

燃ran料liao電dian池chi是shi一yi種zhong直zhi接jie將jiang燃ran料liao的de化hua學xue能neng轉zhuan化hua為wei電dian能neng的de清qing潔jie高gao效xiao的de發fa電dian器qi件jian，是shi解jie決jue目mu前qian化hua石shi類lei燃ran料liao燃ran燒shao發fa電dian效xiao率lv低di和he汙wu染ran環huan境jing的de最zui有you效xiao手shou段duan之zhi一yi，一yi直zhi是shi國guo際ji上shang清qing潔jie能neng源yuan領ling域yu的de研yan究jiu熱re點dian
，可ke以yi真zhen正zheng實shi現xian將jiang煤mei的de利li用yong“由黑變綠”。目前
，由煤製甲醇和合成氣的生產技術日益成熟
，成本降低。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，致力於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
，並且有完整的生產銷售網絡。DMFC尤其適用於交通工具和便攜式電源，此外，也可應用於軍事潛艇、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麵臨的兩大挑戰。

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納米管表麵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納米管表麵可控地生成了一層有利於甲醇溶液中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麵相似的角色。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。隨後他們與加拿大光源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》雜誌子刊NPG Asia Materials 7, e153 （2015）。楊偉為共同第一作者，孫春文為通訊聯係人。

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25^oC。

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。