王萌
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王新东
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陈明
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杨兆一
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董超振
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62477-4
直接甲醇燃料电池(DMFC)因其燃料能量密度高，工作温度低，低污染排放等优点被认为是用作移动设备电源的最佳选择之一，至今已有美国的Oorja Protonics公司和丹麦的IRD公司等新能源相关企业相继发布了多款用于手机、电脑、通信基站、叉式装卸机或房车的商业产品.然而， DMFC内部的复杂情况造成的多种不同的电压损失仍旧使得其实际电压效率远低于理论值.其中从阳极渗透到阴极的甲醇造成的混合电位导致的电压损失尤为明显.目前，众多研究人员都致力于开发高稳定性、高耐久性、高性能且低成本的催化材料体系，以克服传统Pt催化剂存在的各种问题.除了催化剂本身之外， DMFC的问题还与其中膜电极的微结构和电化学特性息息相关.膜电极是化学能通过电催化氧化还原反应转化为电能的反应场所，通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依序组合而成.通过对MEA中的各层进行优化，如传质管理和甲醇渗透等问题都能得到有效解决.
近年来，纳米技术常被用于改进DMFC性能的研究.具备纳米结构的金属-碳/金属氧化物载体类催化材料得到了广泛研究.这些电催化材料在制备方法、结构和组分上都有较大区别.结构方面，许多研究都证明制备纳米级多孔网络结构或者有序阵列结构的催化层有助于提高催化性能和Pt的利用率.组分方面，许多研究人员都开展了引入Pt以外金属成分或金属氧化物来改变Pt催化剂的表面电子状态的研究.引入这些组分导致的配位体效应可以通过弱化Pt与H+， OH-或COads等的相互作用来起到抗催化毒化和提高催化效率的作用.尽管对于DMFC领域的认知逐渐完善，但是仍有许多问题有待解决.因此，本文介绍了目前用于DMFC的纳米结构电催化材料和多孔电极的研究进展.重点介绍了纳米结构催化剂和载体材料的合成及表征.
通过对比不同催化材料的特性可以发现，在本文涉及到的催化材料中， In0.1SnO2-Pt和(MoO3)0.2SnO2-Pt/C表现出了最高的催化活性，但是它们高效催化甲醇电氧化所需的碱性环境与现在占绝对主流地位的Nafion质子交换膜所必须的酸性环境相冲突，所以其实际应用价值在碱性阴离子交换膜研究取得突破前都难以有效发挥.而另一类表现较好的采用溶致液晶模板法合成的纳米树枝状和纳米星形Pt催化剂则存在制备工艺难以商业规模化的问题.总的来说，采用溶剂热合成法制备的Pt-NRCeO2/GNs和Pt/Ti0.9Sn0.1O2-C等纳米结构金属氧化物、碳材料复合载体和Pt基贵金属催化剂组成的催化材料体系不仅催化性能相对于商业化Pt纳米颗粒有很大提高，而且制备方法易于商业规模化，值得进一步关注.此外，本文还介绍了如内部传质过程的理论建模计算和膜电极中功能结构的制备等优化DMFC中多孔电极内传质过程的方法.通过计算机模拟得到优化DMFC内部传质过程所需的扩散层、催化层的传质特性相关参数，再通过改进MEA制备工艺，有效控制各层的结构参数向模拟的优化值靠拢，能够实现DMFC性能的有效提升.综合模拟、实验研究及工艺研究结果，根据实际需要，设计和制备包含新功能层的MEA的相关研究也更进一步提高了DMFC的性能和实用性.就目前的研究情况而言，如果在性能提升的基础上，使用寿命再取得突破， DMFC一定会有很好的商业应用前景.
关键词:
催化剂
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多孔电极
,
甲醇渗透
,
电催化性能
,
膜电极
,
直接甲醇燃料电池
阚洪敏
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杨兆一
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张宁
稀有金属材料与工程
采用电化学沉积法通过在电解槽中添加SiC颗粒制备Ni-SiC复合镀层.由于第二相颗粒SiC的加入改善了镀层的性能,使之具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性能等.Ni-SiC复合电镀改善镀层的组织结构并显著提高镀层的质量.采用NiSO4·6H2O(35 g/100 mL),NiCl2·6H2O(4g/100 mL),H3BO3 (3.5 g/100 mL),十二烷基硫酸钠(0.5 g/100 mL),SiC颗粒(0.4~1.0 g/100 mL)体系,在pH值为4,温度35～50℃时,通过电化学沉积法制备Ni-SiC复合镀层.实验探究了温度、电流密度、镀液中碳化硅颗粒含量以及超声波分散时间对镀层中SiC复合量的影响.通过扫描电镜和XRD对镀层进行分析,结果表明:在温度为35～50℃之间复合镀层中SiC的量随温度的增加呈现先增加后减少的趋势;在电流密度为0.026～0.06A/cm2之间,复合镀层中SiC的含量随电流密度的增加呈现先增加后减小的趋势;镀液中SiC量在0.4～1.0 g/100 mL之间时,镀层中SiC含量随着镀液中SiC含量的增加而增加,超过一定值(0.6 g/100 mL)增加幅度变小;超声波分散时间在10～50 min之间,镀层中SiC的含量随时间的增加而先增加后减少.镀层中碳化硅颗粒均匀分布有利于晶粒的细化.
关键词:
电沉积
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Ni-SiC复合镀层
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SiC颗粒的共沉积量
