直接硼氢化钠燃料电池Pt/M/C(M=Co or Ni)催化硼氢化物氧化机理的原位同步辐射研究

Looking for new materials to prepare reasonable anode catalysts to improve the performance of DBFC is an important work. Pt is the most widely used catalyst material, however it could only catalyze low-electron (2-4) oxidation reaction of borohydride. Co and Ni could also catalyze the oxidation of borohydride, but the hydrogen evolution reaction which occurs during the oxidation reaction obstructs the further reaction. Alloy materials have higher activities than their metal components because of the synergistic effect. Carbon supported Pt-transition metal catalysts (PtM/C, M = Co or Ni) have been exhibited better catalytic activities than pure Pt/C, Ni/C, Co/C catalysts, however, the reason of the performance enhancement and the catalytic mechanism were still unclear. Single- and semi- cell in situ devices were redesigned and improved in this work, by which they become suitable for in situ synchrotron study on the solid-liquid interface during operation. In situ XAFS spectra of Pt and M in catalyst will be tested by the improved devices to analyze the factors that influence the enhancement of the catalytic activity and the stability essentially. And the mechanism of borohydride oxidation catalyzed by PtM/C will be studied in this work.

寻找新型材料合理制备阳极催化剂是提高DBFC性能的重要工作。Pt是最常用的催化剂材料，但只能催化硼氢根离子发生低电子（2到4）的氧化反应。Co、Ni也对硼氢根离子的氧化反应具有电化学催化作用，但是氧化过程中伴随有析氢反应,气泡的产生有碍反应的进一步进行。合金材料的协同作用使其比组分金属具有更高的活性。已有实验表明碳载Pt过渡金属合金催化剂（PtM/C, M = Co或Ni，）显示出比纯Pt/C、Ni/C、Co/C催化剂更好地催化活性，但其催化活性增强的原因及其催化机理目前尚不明确。本项目对现有的单电池原位测试装置和半电池原位测试装置进行改进，使其适用于固-液界面上电催化过程的原位同步辐射研究，并利该装置技术对PtM/C体系催化剂中的Pt和M进行原位XFAS表征，从本质上分析PtM/C体系催化剂催化活性和稳定性增强的原因，研究其催化硼氢根离子发生氧化反应的机理。

寻找新型材料合理制备催化剂是提高DBFC性能的重要工作。Pt/C是最常用的催化剂材料，但昂贵的价格限制了其商业化的发展。此外，实际使用过程中，Pt/C作为阴极催化剂易发生甲醇中毒，作为阳极催化剂则催化硼氢根离子发生低电子（2到4）氧化反应。已有研究表明过渡金属对氧分子的还原和硼氢根离子的氧化反应具有电化学催化作用，过渡金属Pt合金材料在多位点的协同作用下显示出比各组分金属更高的活性和稳定性。实验表明碳载Pt过渡金属合金催化剂PtCo/C显示出比纯Pt/C、Co/C催化剂更好地催化活性，但其催化活性增强的原因及其催化机理目前尚不明确。. 本项目成功设计并制备了可原位表征直接硼氢化钠燃料电池中固-液界面上阴极和阳极催化剂的原位测装置。可行性测试表明该测试装置可在电池原位放电过程中对阴极和阳极催化剂进行原位测试并取得高质量的XAFS数据，详细测试方法发表在Phys. Chem. Chem. Phys.。本项目成功制备了Co基以及PtCo催化剂，并对其催化氧还原和硼氢化物氧化的机理进行了原位表征，认为氧空位是Co基催化剂具有较高催化活性的关键因素，而非先前文献中所讨论的价态转化，相关结果已发表在J. Power source和Electrochim. acta；而对于PtCo合金催化剂，Pt、Co之间的电子转移造成的结构变化是其催化活性的关键,相关文章还在整理中。. 本项目运用原位 XAFS 技术探索了Co基以及PtCo催化剂催化活性和稳定性增强的原因，研究了催化剂催化反应的机理，为燃料电池催化剂体系的研究提供了新方法，为合理设计新型、高效、稳定的催化剂材料提供重要的理论支持。