高活性、高CO2选择性的乙醇氧化电催化剂的构筑及催化机理

乙醇氧化反应活性低，电极动力学过程缓慢，氧化生成CO2选择性低，因此研制具有高催化活性以促进电极动力学过程，且具有高CO2选择性来提高燃料利用率的乙醇氧化催化剂是电催化领域重要的研究课题之一。项目拟构筑新型复合电催化剂，使乙醇分子中C-C键直接断裂，以达到乙醇氧化绕道乙醛生成途径而直接转化为CO2的目的。项目将联用微波技术和多元醇还原技术，实现电催化剂尺寸、分布、结构和组成的可控制备，采用伏安法和单池测试技术与气相色谱相结合研究催化剂的活性和CO2选择性，利用电化学原位红外光谱和电化学石英晶体微天平技术，在分子水平上、定量研究乙醇氧化动力学规律和电催化机理，探讨电催化剂的"构"与其对电化学反应过程的"效"的内在联系，从而研制出具有高活性、高CO2选择性的乙醇氧化电催化剂。本项目可以丰富和发展纳米复合材料的制备科学理论，为直接乙醇燃料电池的性能突破提供契机，具有重要理论价值和科学意义。

本项目针对乙醇氧化活性低、CO2选择性差的问题，开发了脉冲微波助多元醇制备负载型电催化剂技术，微/纳尺度上构筑了有序中孔炭载体，并制备了Pt/C、PtSn/C、PtSnRh/C等负载型Pt基电催化剂。基于电化学结果，总结了PtSn/C和PtSnRh/C对乙醇氧化的电催化机理，开发了两步法制备的高活性的PtSnO2@Rh/C乙醇氧化电催化剂，完成了研究计划内容。研究成果已发表期刊论文12篇，会议论文6篇，培养研究生3名，进行国际学术交流1次。.执行项目中有两个新发现：第一、炭载体的孔径和孔形貌直接影响炭载型催化剂的电催化性能，仅通过从微/纳米尺度上对炭材料的物理结构进行调控，就能实现提高电催化剂活性，降低贵金属用量的目的，对电催化剂的开发和其它领域负载型材料的研发有启发意义。第二、炭载PtRhSn三元催化剂催化乙醇电氧化的性能直接依赖于催化剂的制备技术，尤其是Rh的引入技术。考虑到Rh对乙醇完全无活性，为防止Rh对Pt活性位的覆盖以及加强Pt、Sn、Rh三元素之间的协同作用，本项目采用两步法催化剂制备技术（PtSn@Rh/C），且对催化剂进行了加热后处理。发现经上述过程制备的催化剂与一步法制备的PtSnRh/C，以及未热处理的两步法制备的催化剂不同，在硫酸和乙酸的混合水溶液中，没有典型的氢的吸附-脱附峰，且乙酸在其催化作用下能进一步氧化，发生C-C键的断裂。这有助于提高直接乙醇燃料电池的燃料利用率和法拉第效率。.