直接甲醇燃料電池陽極新型納米電催化劑基本信息

探索研究抗CO中毒、催化甲醇電化學(xué)氧化活性高、成本相對低廉的直接甲醇燃料電池（DMFC）陽極新型納米電催化劑。探討新型電催化劑的組成-制備-結(jié)構(gòu)-性能-機理間的關(guān)系，特別研究電催化劑的結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)（如幾何構(gòu)型和電子狀態(tài)等）對抗CO中毒及催化甲醇電化學(xué)氧化性能的影響，從而闡明反應(yīng)物在催化劑上形成吸附鍵的強弱、作用機制及催化動力學(xué)性能。目的是為獲得高效、長壽命、廉價的DMFC陽極新型納米電催化劑提供理 2100433B

原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）是一種先進的薄膜沉積技術(shù)。利用ALD的技術(shù)特點和優(yōu)勢，可設(shè)計合成新型高效納米催化劑，并可精確地調(diào)控催化劑的表界面結(jié)構(gòu)。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室研究員覃勇帶領(lǐng)的研究團隊，利用ALD技術(shù)設(shè)計制備出一種多重限域的Ni基加氫催化劑。與未限域的催化劑相比，多重限域的Ni基催化劑對于肉桂醛以及硝基苯的加氫催化反應(yīng)的活性、穩(wěn)定性得到顯著的提高。相關(guān)工作近日發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.。

該方法具有普適性，可以用來合成其他體系的限域催化劑，用于催化不同的反應(yīng)，為未來高效納米催化劑的設(shè)計提供了重要的科學(xué)參考。

金屬—氧化物載體的界面結(jié)構(gòu)強烈影響多相催化劑的性能。精確地設(shè)計、調(diào)控界面結(jié)構(gòu)，對于新型高效催化劑的制備非常重要。該研究團隊利用ALD技術(shù)，以碳納米螺旋或者碳納米管為模板，在模板表面首先沉積NiO納米粒子，然后再沉積Al₂O₃納米薄膜，經(jīng)過煅燒、還原處理后，得到氧化鋁納米管（ANT）包覆的Ni催化劑（Ni-in-ANTs）。這樣的途徑使得Ni粒子不僅被限域在氧化鋁納米管中，還被嵌在氧化鋁納米管內(nèi)壁的凹坑中，稱之為多重限域。改變NiO納米粒子和Al₂O₃納米薄膜的沉積順序，經(jīng)過煅燒、還原處理，制備出Ni粒子負載在納米管外壁的未限域催化劑（Ni-out-ANTs）。大量的表征結(jié)果證明，二者具有相同的Ni含量、Ni納米粒子尺寸、氧化鋁納米管管壁厚度、孔道結(jié)構(gòu)以及Ni還原度。然而，對于肉桂醛以及硝基苯催化加氫反應(yīng)，Ni基多重限域催化劑的活性遠遠高于未限域的催化劑。這是由于限域催化劑中的Ni粒子被限域在氧化鋁納米管內(nèi)壁的凹坑中，具有了更多的Ni-Al₂O₃界面位點，其金屬-載體之間的相互作用更強，促進了氫溢流現(xiàn)象，從而提高了催化劑的加氫反應(yīng)活性。另外，氧化鋁納米管可以保護限域在其中的Ni粒子，阻止其在反應(yīng)中脫落、溶釋，使得多重限域催化劑比未限域的催化劑具有更好的循環(huán)使用穩(wěn)定性。