質(zhì)子交換膜燃料電池陰極過渡金屬化合物催化劑研究的綜述報告

質(zhì)子交換膜燃料電池陰極過渡金屬化合物催化劑研究的綜述報告隨著人們對清潔能源的需求日益增加，質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）逐漸成為一個備受關(guān)注的清潔能源技術(shù)。然而，要使PEMFC實(shí)用化，我們必須解決其不可避免的問題之一——陰極催化劑的失活。陰極催化劑是PEMFC中起到關(guān)鍵作用的組件，它能夠催化氧氣還原反應(yīng)（ORR）并轉(zhuǎn)化為水，從而產(chǎn)生電子。然而，這種催化劑存在失活的問題，阻礙了PEMFC的實(shí)際應(yīng)用。為了解決這個問題，近年來研究人員已經(jīng)開始集中研究質(zhì)子交換膜燃料電池陰極過渡金屬化合物催化劑，并取得了一些重要的進(jìn)展。下面將對這方面的研究進(jìn)展做一個綜述報告。一、陰極催化劑失活現(xiàn)象理論上，陰極催化劑應(yīng)該能夠在PEMFC的使用壽命期間保持高效。然而，在實(shí)際情況下，陰極催化劑通常會失活，導(dǎo)致PEMFC的性能下降。陰極催化劑失活通常有三種主要原因：1.碳中毒：隨著燃料電池的使用，陰極催化劑表面會逐漸形成碳顆粒。這些碳顆粒會吸附氫離子并阻礙氧氣分子進(jìn)入催化劑表面，從而導(dǎo)致催化劑失活。2.電化學(xué)腐蝕：氧分子在陽極產(chǎn)生氧化劑之后，會在陰極還原成水，同時釋放出電子。這些電子會通過陰極催化劑流動，導(dǎo)致催化劑表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并導(dǎo)致腐蝕，從而進(jìn)一步導(dǎo)致催化劑失活。3.晶格氧化：陰極催化劑通常包含一些過渡金屬，如鉑、鈷或鎳等。這些金屬會在反應(yīng)中釋放出氧化物，導(dǎo)致催化劑表面氧分子的濃度增加。這將導(dǎo)致催化劑晶格結(jié)構(gòu)的氧化并使催化劑失活。二、陰極催化劑材料為了解決這個問題，研究者認(rèn)為陰極催化劑應(yīng)當(dāng)同時滿足以下三個方面的要求：高效催化ORR、防止催化劑失活、低成本。近年來，研究者已經(jīng)嘗試?yán)靡恍┖辖鸹衔铩⑦^渡金屬氧化物、碳基材料等新型納米材料作為陰極催化劑，并在一定程度上得到成功。1.Pt合金化物雖然鉑（Pt）是作為PEMFC陰極催化劑的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，但Pt的成本使得PEMFC難以商業(yè)化。因此，研究者一直在尋找替代品，其中之一是Pt合金化物。Pt合金化物可以提高催化劑的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，并減輕碳中毒的影響。例如，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Pt-Ni合金能夠減少陰極催化劑的失活，因?yàn)镹i可以與Pt形成Ni-Pt合金，從而防止催化劑的晶格氧化。2.過渡金屬氧化物過渡金屬氧化物是一種性能優(yōu)異的陰極催化劑，其成分豐富，價格低廉，因此具有良好的應(yīng)用前景。例如，鎳氧化物（NiO）已被證明是一種有前途的催化劑，它可以在低溫下催化ORR，并具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。此外，由于NiO表面的缺陷可以提高ORR活性，所以NiO也不會產(chǎn)生太大的碳中毒問題。3.碳基陰極催化劑碳基陰極催化劑是一種非常有前途的替代催化劑，其優(yōu)點(diǎn)包括價格低廉、容易合成和使用。例如，石墨烯氧化物（GO）因其優(yōu)異的電活性和導(dǎo)電性，以及良好的防止碳中毒和電化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是一種有前途的PEMFC陰極催化劑。三、陰極催化劑的改性除了尋找新型材料外，研究者還可以通過改性現(xiàn)有催化劑來改善PEMFC的性能。其中，改變催化劑的形態(tài)結(jié)構(gòu)是一種有效的方法之一。1.納米化納米化是一種常見的策略，可以大大改善陰極催化劑的性能。由于納米顆粒的表面積和表面能增加，因此在PEMFC中的催化劑活性可以得到顯著提高。2.復(fù)合改性另一個較為常見的改性方法是制備復(fù)合催化劑。例如，利用碳基材料作為載體，并在其表面包裹一層Pt-Ni合金，可以增加Pt-Ni的催化活性，并降低碳中毒的影響。此外，將NiO與其他金屬氧化物（如TiO2、Co3O4等）混合使用，可以發(fā)揮不同催化劑在ORR中的優(yōu)勢。四、未來展望這些研究成果表明，不斷探索陰極催化劑材料和改性方法是解決PEMF