直接甲醇燃料电池强抗中毒光助阳极的构筑与催化特性研究

One of problems blocking DMFC from commercialization is the slow kinetics of methanol electro-oxidation due to CO poisoning to the Pt-based anodic catalysts, resulting in a serious decline in the performance of DMFC. How to effectively remove of CO poison is the key to improve the performance of DMFC. In this application, we present an anti-poisoning anode enhanced by illumination. A Pt/TiNTs/FTO electrode is prepared by electrochemically depositing Pt onto TiO2 nanotube arrays (TiNTs) fabricated by the anodic oxidation of a sputtering Ti layer supported on a conductive glass (FTO) substrate. The catalytic activity of the Pt/TiNTs/FTO and the performance of a DMFC single cell with the Pt/TiNTs/FTO anode can be significantly improved, resulting from the greatly increased anti-poison ability of Pt catalyst on TiNTs/FTO against the intermediate of methanol oxidation under illumination, which is in that TiO2 nanotube can be both the catalyst support and the co-catalyst and fully involved in the electro-oxidation of methanol on Pt surface (through the use of) based on the physical properties of FTO and the photo-catalytic activity and the semiconducting property of TiO2 nanotube.

贵金属Pt催化剂易被甲醇氧化的中间产物毒化是制约直接甲醇燃料电池（DMFC）商业化的主要原因之一。针对此问题，本申请提出基于Pt催化剂的"抗中毒光助阳极"。拟采用磁控溅射和电化学的方法将Pt纳米颗粒可控沉积于负载在导电玻璃（FTO）表面的二氧化钛纳米管阵列（TiNTs）中以获得Pt/TiNTs/FTO催化电极。通过利用导电玻璃的物理性质和TiO2纳米管的光催化活性及半导体性质，借助光照，使TiO2纳米管阵列兼具催化剂载体和助催化剂双重功能，并充分地参与到Pt表面甲醇电氧化的过程，以削弱甚至避免甲醇氧化中间体CO对Pt催化剂的毒化，从而大幅提高Pt催化剂的活性和以Pt/TiNTs/FTO为催化阳极的DMFC单电池的性能。

在直接甲醇燃料电池中，作为目前对甲醇氧化最有效的负载型铂基催化剂，载体的选择对其性能有着重大影响。碳材料因其具有众多优点而常被用作载体材料，但由于碳载体的腐蚀所导致的活性组分的流失和团聚，较大程度上影响了阳极催化剂的性能。而金属化合物载体因其在强氧化环境中拥有比碳载体更高的稳定性以及与活性组分间强的相互作用较好地改善了上述问题，这其中研究最为广泛的金属氧化物就是TiO2。但TiO2作为半导体，其较差的导电性较大程度上限制了其在载体中的应用。.为充分发挥TiO2作为载体的优势，以及提高负载型Pt催化剂的性能，本项目主要进行了以下相关探讨：.（1）通过在Pt/TiO2/Ti电极的制备过程中分别添加羟丙基纤维素（HPC）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）来减少Pt颗粒的团聚，以增大甲醇氧化这个固液多相催化的接触面积；同时通过TiO2在光照下光解水产生的含氧物种—羟基自由基·OH来氧化去除吸附于Pt表面的毒性中间体CO，以提高Pt基催化剂的活性和抗中毒性能。实验结果显示，纤维素的使用有效的提高了Pt颗粒的分散性和电化学活性表面积，同时光照的使用显著的改善了催化剂的活性和抗中毒能力。.（2）通过Pt/TiO2/Ti电极制备过程中葡萄糖或β-环糊精的使用，将C引至载体中，有效的减少甲醇氧化过程中电子在TiO2载体中传输时与空穴的复合，从而增强半导体载体TiO2的导电性，改善了催化剂的催化活性；而掺碳电极在光照下催化性能的明显提升，证明光的引入，使得TiO2载体兼具了催化剂载体和助催化剂的双重功能，直接参与到Pt表面甲醇电氧化的过程中。.除此之外，在基金的资助下，还进行了染料敏化太阳能电池（DSSC）中Pt/Ti对电极的电沉积-置换制备和表征，结果显示，上述Pt/Ti对电极相对传统的Pt/FTO对电极具有更低的欧姆电阻和界面电荷传递阻力，能将DSSC的光电转化效率从6.30 %提高至7.61 %