直接乙醇燃料电池用低铂三元催化剂制备及催化机理研究

With the increasingly prominent problems of environmental pollution and energy crisis, the development of clean and efficient new energy has attracted widespread attention. Direct ethanol fuel cells (DEFC) have become a research hotspot due to a series of advantages. At present, the usage amount of noble metals in the catalyst is high and it is easily poisoned and the catalytic mechanism is not yet clear. Therefore, this project relies on the advantages of rare earth resources in Baotou area to add rare earth oxide CeO2 and non-noble metal Ni to Pt-based the catalyst . The use of SEM, TEM, XPS, electrochemical workstations, and electrochemical in-situ infrared spectroscopy to study the reaction intermediates of ethanol on the catalyst, using CO as a probe to explore the mechanism of electrocatalytic oxidation of ethanol. The density functional theory (DFT) was used to study the reaction process of ethanol molecules on the catalyst surface. The theoretical calculation results were compared with the experimental phenomena to find out the key steps and factors that control the reaction. Optimize the composition of catalyst, reduce the amount of precious metals, develop new catalysts with low platinum, high efficiency and strong anti-toxicity, and clarify its catalytic mechanism. Finally, from the perspective of application, single cells were assembled to verify the overall performance of the catalyst. The development of this project provides a theoretical basis for the development of low-platinum, high-efficiency catalysts and has a certain application prospect.

随着环境污染和能源危机问题的日益突出，开发清洁、高效的新能源引起了广泛关注。直接乙醇燃料电池（DEFC）由于具有一系列优点成为了研究热点。目前，催化剂贵金属使用量高，易被毒化失效，且催化机理尚不清晰。因此，本项目依托包头地区稀土资源优势，在Pt基催化剂中添加稀土氧化物CeO2及非贵金属Ni，利用SEM、TEM、XPS、电化学工作站及电化学原位红外光谱等手段，研究乙醇在催化剂上的反应中间产物，以CO为探针对乙醇的电催化氧化机理进行探索。用密度泛函理论(DFT)研究乙醇分子在催化剂表面的反应过程，将理论计算结果与实验现象对比分析，找出控制反应的关键步骤及因素。优化催化剂组成，降低贵金属用量，开发出低铂、高效及抗中毒性强的新型催化剂，并明确其催化机理。最后，从应用角度出发组装单电池，验证催化剂的综合性能。本项目的开展，为开发低铂高效催化剂提供理论依据，具有一定的应用前景。

环境污染和能源危机是人类社会由于能源需求的快速增长和化石燃料的大量燃烧而面临的严峻挑战。直接乙醇燃料电池（DEFC）作为将乙醇的化学能直接转化为电能的理想能量转换器，得到了广泛的关注。但是，DEFC仍存在一些问题，催化剂贵金属使用量高，易被毒化失效，且催化机理尚不清晰。因此，本项目依托包头地区稀土资源优势，在Pt基催化剂中添加稀土氧化物CeO2、非贵金属Ni，通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜及能谱（SEM+EDS）和X射线光电子能谱（XPS）对所制备的催化剂进行了微观结构表征。通过电化学工作站对催化剂的电催化性能进行测试。通过电化学原位红外光谱对乙醇在催化剂表面氧化过程进行测试。基于密度泛函理论，计算了吸附能、态密度、功函数和Bader电荷，研究分析了乙醇在Pt3Ni和Pt低指数晶面上的吸附过程。研究发现添加CeO2的PtCeO2/G催化剂的性能都优于Pt/G和商业催化剂，说明添加一定量的CeO2有利于增加催化剂的活性位点，从而改善了催化剂对乙醇的催化性能。针对商业催化剂贵金属铂负载量较高，导致催化剂成本升高的问题，通过加入非贵金属镍，研究了Ni加入对催化剂催化活性及稳定性的影响，发现其催化性能随着Ni含量的增加而先提高后降低。通过研究乙醇在Pt低指数晶面的吸附过程，计算结果验证了不同Pt低指数晶面催化剂对乙醇催化性能存在差异的原因。为了明确Ni添加提高催化剂催化性能的机理，研究了乙醇在Pt3Ni和Pt低指数晶面的吸附过程，计算结果在一定程度上验证了实验研究。通过加入CeO2、Ni合成了新型三元催化剂，研究了CeO2、Ni共添加对催化剂的影响。研究发现三元催化剂Pt5Ni1CeO2/G对乙醇电催化氧化活性最优。通过组装电池测试其性能，发现以三元催化剂为阳极的电池其综合性能最优。通过研究发现，CeO2及Ni共添加合成的三元催化剂能够在较低电位下促使乙醇转化为乙酸，促进了电子的转移，进而提高了催化剂的催化活性。本项目的研究成果为开发低铂高效催化剂提供了理论依据及技术支撑。