液相激光誘導製備甲醇氧化電催化劑研究獲進展

健康 06-19

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所液相激光加工與製備實驗室在液相激光輻照製備硫、氮共摻碳納米管負載氧化鎳電催化劑（NiO/S,N-CNTs）研究方面取得進展，並對其甲醇氧化電催化性能進行了探究。相關結果以全文的形式發表在Carbon雜誌上。

甲醇是一種重要的能量載體，常溫常壓條件下為液態，具有運輸和存儲方便、燃燒效率高、潔凈環保等優點。發展以甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(PEMFC)，是繼水力、火力、原子能發電方式之後的「第四種發電方式」，也是解決環境與能源危機的有效途徑之一。當前，電化學催化甲醇氧化主要採用鉑基貴金屬納米材料作為催化劑，催化劑的製備成本高昂。因此開發廉價的非貴金屬基甲醇氧化催化劑，解決其催化活性低和穩定性差的普遍性難題，對推動PEMFC研究的發展具有重要的研究價值和科學意義。近年來，研究人員在基於納米材料結構與缺陷工程來提高PEMFC催化活性方面開展了大量富有成效的研究工作，如：調控催化劑尺寸、構築二維大比表面積層片狀納米結構、缺陷調控和異質原子摻雜等，均極大地提高了非貴金屬基催化劑的甲醇氧化催化活性。然而，在甲醇氧化反應中，面對苛刻的電解液環境，高活性納米催化劑材料很容易因為發生表面結構重構、聚集生長或者中間態物種吸附而導致失活。因此，兼顧甲醇氧化催化劑的催化活性和穩定性是十分必要的。

基於此，合肥研究院固體所液相激光加工與製備實驗室從催化劑載體設計的角度出發，提出以S、N元素摻雜碳納米管為支撐載體，錨定小尺寸NiO納米顆粒，以提升其甲醇氧化催化活性和穩定性。具體為：通過液相環境下脈衝激光輻照的方法製備高濃度S、N元素摻雜的NiO納米顆粒原位負載碳納米管（NiO/S,N-CNTs）。在激光輻照過程中，S、N元素的摻雜能夠為NiO的成核生長提供更多的附著位點，加速了激光誘導碳納米管表面局域高溫區域Ni2+離子反應前驅體的消耗速度，降低了負載NiO納米顆粒的尺寸；此外，由於S、N元素的摻雜，碳納米管對NiO納米顆粒的錨定作用得到顯著增強，使得兩者間的接觸電阻減小，促進了界面電子傳輸，對其電化學活性有提升作用。鹼性條件下的電化學測試結果表明，NiO/S,N-CNTs具有良好的甲醇氧化催化性能，其初始甲醇氧化質量比活性為2200mA/mg。連續測試40000秒後，其質量比活性保持率為65.8%，展現了良好的循環穩定性，甲醇飽和濃度可提升至13M。該研究工作為基於液相激光製備與加工技術實現碳納米管摻雜，開發低成本、高效的非貴金屬基甲醇氧化催化劑提供了新的思路。

該項研究工作得到中科院裝備研製項目、國家自然科學基金和中國博士後基金資助。

液相激光誘導製備甲醇氧化電催化劑研究獲進展