干林
,
杜鸿达
,
李宝华
,
康飞宇
新型炭材料
doi:10.1016/S1872-5805(09)60015-9
通过乙二醇还原,在Vulcan XC-72 炭黑上负载了三种具有不同平均粒径(1.7 nm,3.0 nm和5.0 nm)的Pt催化剂.利用透射电子显微镜,研究了载体炭黑表面的微孔与Pt催化剂之间的几何相互作用.结果表明:尺寸较小的Pt颗粒(平均粒径为1.7 nm)通常被包含在载体表面的微孔中,表现为被一薄碳层所覆盖并嵌入炭黑基体.而尺寸较大的Pt颗粒(平均粒径为3.0 nm和5.0 nm)则不存在这种现象,往往显示出裸露的清洁表面.这种与载体表面微孔的不同相互作用引起了Pt颗粒在电化学活性比表面上的反常尺寸效应,进而影响了其催化甲醇氧化的质量比活性.
关键词:
催化剂
,
甲醇氧化
,
尺寸效应
,
金属-载体相互作用
,
透射电子显微镜
Mahesh M.Nair
,
Freddy Kleitz
,
Serge Kaliaguine
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60909-3
限制工业有毒气体(如挥发性有机化合物)的排放是当今社会主要的挑战之一.因此,迫切需要开发出消除污染物、且不造成二次污染的环境友好技术.其中热燃烧技术比较有效,但通常该过程会采用贵金属催化剂以实现低温高活性.由于贵金属催化剂的成本较高,不利于工业应用,因此,人们一直致力于研究和开发新型材料以替代贵金属催化剂.研究发现,在许多部分氧化或完全氧化反应(特别是烃类或挥发性有机物的氧化反应)中,钙钛矿类复合金属氧化物(ABO3)具有与贵金属类似的催化性能.但是该材料的制各需在高温(＞ 700℃)条件下进行,使得其比表面积(＜30 m2/g)很低,因而限制了其应用.可见,欲使该材料在工业上得到广泛应用,必须在制备技术上实现很大的突破,即制得高比表面积的钙钛矿类材料.已有人通过在200℃下焙烧成功地制备了比表面积为1 00 m2/g的钙钛矿氧化物,但继续提高焙烧温度,所制样品的比表面积下降.在过去20年中,中孔氧化硅及随后众多中孔材料的成功制备,使得合成具有极高比表面积的非硅基材料(如碳,金属氧化物,和碳化物等)成为可能.在这些材料的制备方法中,纳米浇铸法因其特别适用于制备具有高比表面积的单金属或单金属氧化物而备受青睐.采用纳米浇铸法已经成功制得一系列材料,并用于很多催化反应中.但文献报道大多只局限于温度、催化剂组成或比表面积对其活性的影响.为了能将这些材料成功用于工业应用,需要对其表面反应机理和相关反应动力学进行深入的研究.最近,本课题组采用纳米浇铸法制备了高比表面积的中孔钙钛矿类氧化物,并考察了它们的催化性能.结果表明,在各种气相反应中,所制纳米浇注的钙钛矿类氧化物具有比相应体相氧化物更高的催化效率.基于此,本文以在不同温度老化的SBA-15为硬模板,采用纳米浇铸法制备高比表面积的LaMnO3材料,运用X-射线衍射、N2吸附-脱附、透射电镜、程序升温还原和O2-程序升温脱附等方法分析所制材料的晶相、织构、表面和氧化还原等性质,考察了其孔结构参数对其催化甲醇完全氧化反应性能和动力学的影响,以深入理解该类材料的催化性能.结果表明,以35,100,140℃老化制得的SBA-15为模板剂,成功地制得了La在A位,Mn在B位的一系列LaMnO3材料,它们具有可调控的比表面积(80-190 m2/g);同时,材料的比表面积与所用硬模板剂的老化温度存在很好的关联,且比表面积最大的样品具有最高的催化活性.测量了各催化剂在不同空速(19500-78200 h-1)条件下甲醇氧化反应结果,从而得到了各催化剂的速率常数,发现它们随着催化剂的比表面积而变化.再结合阿伦尼乌斯方程,采用线性回归法测得了所制备的三个催化剂上该方程的指前因子和表观活化能;发现在所考察的反应条件下,所有催化剂上反应的表观活化能较低,且保持不变.另外,指前因子与催化剂比表面积之间存在线性关系,表明尽管各催化剂的比表面积不同,但单位比表面积的甲醇氧化的比活性是相同的.由于在制备过程中很难除去残余的Si物种,因此未来工作中我们将进一步考察残余物种对纳米浇注的钙钛矿类材料性质的影响.
关键词:
中孔钙钛矿
,
高比表面积
,
纳米浇注法
,
甲醇氧化反应
,
动力学
蒋湘芬
,
王学斌
,
沈丽明
,
吴强
,
王秧年
,
马延文
,
王喜章
,
胡征
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61117-2
高性能低成本的担载型铂基催化剂是直接甲醇燃料电池(DMFC)实用化过程中的一大挑战.利用高比表面积、高稳定性、容易负载金属的载体实现 Pt颗粒的高度分散,既可提高催化剂的催化性能,又可提高 Pt的利用率以降低成本,是担载型 Pt基催化剂实用化的有效途径.碳材料是一种常用的催化剂载体,近年来我们课题组发展了一种高性能的碳纳米笼材料,并可通过异原子掺杂调变其表面性能,提高其活性和负载能力.我们采用原位氧化镁模板法制备氮掺杂碳纳米笼：以具有多级结构的碱式碳酸镁作为氧化镁模板的前体,吡啶为碳源和氮源,经高温热解沉积,在原位形成的氧化镁模板表面形成氮掺杂的石墨化碳纳米薄层；经稀盐酸浸泡并洗涤,获得高纯度的氮掺杂碳纳米笼.氮掺杂碳纳米笼具有分等级的微纳米结构、高导电性、高比表面积和可调变的孔结构,结合表面氮原子的锚钉作用,氮掺杂碳纳米笼有望成为电化学催化剂 Pt的优良载体.
在前期研究基础上,本文探索多级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为新型载体负载 Pt的能力,并评价所构建的负载型催化剂 Pt/hNCNC的电催化性能.通过简便的微波辅助多元醇还原法,将氯铂酸还原成 Pt纳米粒子负载于 hNCNC的表面.为了揭示氮掺杂的效应,我们对比研究了具有相似分级结构但无掺杂的碳纳米笼(hCNC)以及商业化活性炭(Val-can XC-72)作为载体的情况.经热重(TG)和 X射线光电子能谱(XPS)分析,三种催化剂 Pt/hNCNC、Pt/hCNC和 Pt/XC-72的负载量均接近理论负载量(23.1 wt%),都主要以金属态存在.然而,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明, Pt/hNCNC的 Pt分散状态优于 Pt/hCNC,更远优于 Pt/XC-72. Pt/hNCNC的平均 Pt粒径最小,仅约3.3 nm.这种良好的分散状态主要得益于氮原子掺杂,高负电性的氮原子改变了局域的表面极性,有利于 Pt颗粒的成核,也有利于固定 Pt颗粒.
由于 hNCNC对 Pt的优异分散能力, Pt/hNCNC表现出高的电化学活性面积.氢吸附和一氧化碳溶出伏安曲线表明, Pt/hNCNC的电化学活性面积高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,这与显微观察和 X射线衍射(XRD)结果相吻合. Pt/hNCNC展现出优异的甲醇电催化氧化活性和高稳定性,其催化电流明显高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,电流衰减亦慢于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72. hNCNC的分级微纳米结构有利于孔内传质和电子输运,从而提高反应速度. hNCNC的氮掺杂有利于 Pt在载体表面的分散,增强了载体-金属相互作用,提高了电化学活性面积和催化活性.为了进一步考察 hNCNC对 Pt的负载能力,本文还考察了高负载量 Pt/hNCNC的性能.在负载量高达60 wt%时, Pt/hNCNC中的 Pt颗粒仍无明显聚集,其甲醇氧化电流增加了30%,可以有效提高 DMFC的输出电流密度.
综上可见, hNCNC可以有效分散并稳定 Pt颗粒,从而提高电化学活性面积和甲醇电催化氧化活性,优于未掺杂的碳纳米笼和传统碳材料,展示了 hNCNC高分散 Pt颗粒用作 DMFC的高效阳极催化剂的重要前景,也表明 hNCNC有望成为应用广泛的新型载体.
关键词:
甲醇氧化
,
燃料电池
,
铂催化剂
,
分级结构氮掺杂碳纳米笼
,
高性能
