直接甲醇燃料电池阴极催化剂的主要类型与进展

直接甲醇燃料电池阴极催化剂的主要类型和进展内容概要•1.直接甲醇燃料电池简介•2.阴极催化剂主要类型及其进展•3.对阴极催化剂的展望直接甲醇燃料电池（DMFC）直接甲醇燃料电池(DMFC)作为新型、清洁、可再生能源，由于具有结构简单，运行温度和压力要求低，能量密度高(大约6000Wh/kg)，能提供比二次电池高10倍以上的电量以及不需要重整装置等优点，在汽车和便携式电子设备等领域中拥有广阔的应用前景。目前受到了越来越多的关注，是最有可能实现商业化应用的绿色能源。•阳极反应:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-•阴极应:3/2O2+6H++6e-→3H2O•电池总反应:CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O目前DMFC的发展面临着一个障碍——“甲醇渗透问题”。这是因为，DMFC普遍使用的Nafion膜具有较高的甲醇透过率，甲醇能够从阳极穿过电解质膜进入到阴极，由于阴极一般使用Pt/C作催化剂，氧还原和甲醇氧化会同时发生，因此产生“混合电位”，严重降低燃料的效率和电池的输出功率。此外，甲醇及其氧化的中间产物还会使Pt/C催化剂中毒，影响Pt对氧还原的催化活性。解决甲醇渗透主要有两种途径：使用甲醇渗透率低的电解质膜（或阻醇膜）；使用抗甲醇氧还原催化剂。已知的氧还原电C催化材料主要有铂及铂基合金催化剂，过渡金属大环化合物，卟啉－金属氧簇超分子化合物，过渡金属氧化物以及杂多酸复合催化剂等。DMFC阴极催化剂类型•1.Pt/C催化剂•2.Pt基复合催化剂•3.过渡金属大环化合物催化剂•4.Chevrel相催化剂•5.过渡金属硫化物催化剂•6.过渡金属羟基化合物催化剂•7.其他类型催化剂Pt/C催化剂20世纪70年代，Pt/C催化剂成为主要DMFC中的主要阴极催化剂。•优点：催化性能大大优于Pt黑催化剂。•缺点：容易使阴极产生混合电位、毒化Pt催化剂从而降低催化活性。Pt基复合催化剂•1.过渡金属与Pt构成的合金催化剂，其对氧还原的电催化活性明显高于Pt催化剂。已发现种类：Pt-Co、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ti、Pt-Mn、Pt-Cu、Pt-V、Pt-Cr-Co、Pt-Fe-Cr、Pt-Fe-Mn、Pt-Fe-Co、Pt-Fe-Ni、Pt-Fe-Cu、Pt-Cr-Cu、Pt-Co-Ga…•2.Pt与过渡金属氧化物的复合催化剂：Pt-WO3、Pt-TiO2、Pt-Cu-MO2、Pt-Cu-MOx…优点：电催化活性较高、较好的耐甲醇能力。缺点：增加催化剂对甲醇氧化的惰性性质。过渡金属大环化合物催化剂•过渡金属大环化合物(卟啉、酞菁)由于具有很高的共轭结构和化学稳定性,同时对分子氧表现出良好的电催化活性，从而被广泛应用于燃料电池氧还原催化剂的研究。•优点：很好的耐甲醇性。•缺点：制备困难、价格昂贵、稳定性差。Chevrel相催化剂•此类催化剂也称为过渡金属原子簇化合物，是在20世纪80年代中期发现的。•分类：二元化合物(Mo6X8,X=S、Se、Te）三元化合物（MxMo6X8）假二元物（Mo6-xMxX8）优点：对氧还原有良好的点催化活性缺点：制备困难过渡金属羰基化合物催化剂：Wx（CO）n、MoxRuySez-（CO）n优点：在酸性溶液中对氧还原有较好的点催化活性。但是，对这类催化剂的耐甲醇性研究尚未进行。过渡金属硫化物催化剂种类：MoxRuySz、RhxRuySz、RexRuySz该类催化剂对氧化还原的电催化活性最好，其中碳载MRu5S5（M=Rh、Re）对氧还原的电催化活性最好，且对甲醇氧化没有电催化活性。目前，该类催化剂对氧还原的电催化活性不是很高，氧在该类催化剂上的还原机理尚不清楚。其他类型催化剂•MnO2、CrO2、烧绿石、钙钛矿、尖晶石、Cu1.4Mn1.6O4、LaMnO3、La1-xSrxFeO3等。优点：成本低、耐氧化、对氧还原的电催化活性较高。缺点：在酸性条件下不稳定。•杂多酸复合催化剂：热稳定性较高、对氧还原的电催化活性比Pt/C高，抗甲醇能力较好。应用展望随着DMFC的研制越来越向实用化方向发展,研制具有耐甲醇能力的阴极电催化剂就显得必要与迫切。从目前的研究情况来看,一些Pt基催化剂,如在Pt中添加Cr、Co、Ru、过渡金属的卟啉和酞菁化合物或杂多酸等,不但能提高Pt对氧还原的电催化活性,而且还能较大幅度地提高Pt的耐甲醇能力,所以这些Pt基复合催化剂作为阴极催化剂有望在DMFC中有较好的应用前景。