Pt催化劑
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-08
Pt催化劑的實例教程
然而燃料電池中陰極氧還原反應（ORR）的動力學比陽極反應慢得多，嚴重影響燃料電池的整體性能，并非常依賴于鉑(Pt)等高效電催化劑的使用。但是鉑基催化劑的高昂價格極大的限制了燃料電池的大規模應用。近年來，二維（2D）材料的興起和單原子催化劑概念的提出為高效催化劑的開發帶來了新的機遇。如果能在不犧牲催化性能的前提下大幅度的提高Pt基催化劑中Pt原子的利用率，將會為Pt基催化劑帶來新的希望。
【成果簡介】
近日，南京師范大學李亞飛教授課題組和德國德累斯頓工業大學Thomas Heine教授（共同通訊）等人基于密度泛函理論（DFT）計算，提出了一種新穎的2D含Pt材料作為ORR催化劑，即PtTe單層。單層PtTe具有良好的熱力學、動力學以及化學穩定性，并且具有較低的剝離能，可以很容易通過機械或者液相剝離實驗上早已合成的PtTe體相材料制得。PtTe單層由于含有鉑原子內層，整體上體現金屬特性。計算表明PtTe單層的表面具有優異的催化活性和對四電子（4e）ORR過程的高選擇性。特別的是，微動力學模擬進一步指出其理論半波電位高達0.90 V，比Pt(111)面的理論值高出50 mV以上。因而PtTe單層有望作為一種良好的燃料電池陰極催化劑。該研究發表于Journal of the American Chemical Society，題為“PtTe Monolayer: Two-Dimensional Electrocatalyst with High Basal Plane Activity toward Oxygen Reduction Reaction”。
展開 01
【導讀】
在聚合物電解質燃料電池的陰極催化劑層上發生的緩氧還原反應(ORR)產生過高的過電位，這限制了聚合物電解質燃料電池的功率密度，需要高負載的稀有和昂貴的鉑(Pt)電催化劑用于ORR。開發高性能的陰極催化劑層有多種策略，其中包括氮功能化載體和添加劑對電催化劑進行改性，這是提高催化活性的一個關鍵方法。
分散在碳載體鉑納米顆粒，通過影響孔隙率、腐蝕速率和質量傳輸性能，對催化劑層的穩定性和性能起著至關重要的作用。高表面積的碳載體由于其內部介孔率高，是燃料電池應用的一個很好的候選者。內部孔隙中的鉑納米顆粒不與離聚體接觸，減少了離聚體的磺酸基對鉑的吸附，阻礙了鉑的動力學活性。盡管高表面積鉑基催化劑具有顯著的ORR活性，但在催化劑層的離子網絡中，它們往往表現出較高的質子電阻。這與高氧質量輸運阻力一起導致了顯著的電壓損失，特別是在高電流密度時，局域傳輸限制更加明顯，需要更多的質子和氧氣來驅動ORR反應。
由于尺寸排斥，離聚體不能穿透高表面積碳載體的微孔和較小的中孔，液態水負責質子運輸到Pt反應位點。然而，水的離子導電性比離聚體小幾個數量級，甚至在有限的環境中，它比Nafion的離子導電性小兩個數量級。
展開 目前的思路是使用地球富含的元素去替代鉑（Pt）基催化劑，盡管Pt在ORR的催化中最為著名，但該催化劑儲量稀少并且成本高。最近，具有原子分散、均勻分布金屬中心的過渡金屬單原子位（SAS）催化劑與M-N-C結構引起了科研人員的大量研究和關注，該催化劑可以在堿性條件下替代Pt，因此具有巨大的潛力。開發廉價和高度有效的非易性金屬催化劑用以取代堿性氧還原反應中的Pt是一個熱門的研究方向。
近日，來自
北京化工大學、中科院高能物理研究所、清華大學
等單位的研究人員在《Adv. Energy Mater》上發表題為“
Mn-N4 Oxygen Reduction Electrocatalyst: Operando Investigation of Active Sites and High Performance in Zinc–Air Battery
”的文章。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202002753
在堿性減氧反應過程中，本文研制出半波電位（E1/2）高至0.910V的Mn還原電催化器，利用操作性X射線吸收光譜法對高度電化的Mn單原子位點的動態原子結構變化進行了研究。這些結果表明，低價Mn^L+-N4是減氧過程中的活動位點。密度功能理論表明，從Mn^L+-N4到吸附的OH物質的容易電子轉移性在電催化性能中起著關鍵作用。此外，當該 Mn-N4 材料作為鋅空氣電池中的陰極時，具有高功率密度和優異的耐用性，這顯示出其在實際設備中替代 Pt 催化劑的廣闊潛力。
展開 然而，要想實現低成本、高性能的目標，有序化的MEA是一個技術發展趨勢，3M 公司研制的Pt擔載量可降至0.15~0.25 mg/cm2的納米結構薄膜 (nanostructured thin film, NSTF)MEA顯示了較好的性能。
高穩定性催化劑
在高穩定性催化劑研究方面，主要從Pt/C催化劑的改進與新型催化劑研究兩方面進行研究與探索。目前采用的Pt/C電催化劑穩定性欠佳，在燃料電池動電位掃描下會產生溶解、聚集、流失等現象，導致活性比表面積減少。
通過對制備方法的改進，進行形貌控制，可有效地提高其活性與穩定性。通過貴金屬元素對Pt/C進行修飾，可提高催化劑的穩定性。如以Au cluster修飾Pt納米粒子，提高了Pt的氧化電勢，起到了抗 Pt溶解的作用，經過3萬次循環伏安掃描，與Pt/C比較其穩定性有了大幅度提高。此外，加入Pd也可提高Pt的氧還原活性，并改善其抗氧化能力。研究表明，Pt3Pd/C與Pt/C相比較，在循環伏安掃描加速衰減實驗中的抗衰減能力得到較大提高。
采用其他過渡金屬與Pt形成的二元催化劑Pt-M/C，也是提高催化劑穩定性與降低成本的一個有效途徑。利用過渡金屬M與Pt之間的電子與幾何效應，提高了Pt的穩定性及比活性，同時，降低了貴金屬的用量，使催化劑成本也得到大幅度降低。如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元催化劑，展示出了較好的活性與穩定性。
Pt-M1-M2/C三元核殼催化劑也是目前研究的熱點課題，利用非貴金屬為支撐核，表面貴金屬為殼的結構，可降低Pt用量，提高質量比活性。
展開 結果如下：
事實上，各種參數是可調的，要針對晶片和機子選擇合適的條件：
可選
機械拋光液
為：SiO2、Al2O3、二氧化鈰；
可選
化學拋光液
為：高錳酸鉀、雙氧水、Pt催化劑、Fe催化劑；
可選
拋光墊
：尼龍、聚氨酯；
酸堿性：KOH、HNO3；
機械作用：壓力、轉速、位置、時間、溫度。
可調參數示例
下面具體介紹一下拋光液和拋光墊。
拋光液是均勻分散膠粒乳白色膠體，主要起到拋光、潤滑、冷卻的作用。主要變量包括磨料（粒徑及分布、硬度、形狀）、試劑（氧化劑、pH調節劑、分散劑、表面活性劑）、工藝（供給速率、溫度）。
電子級試劑的主要品種有：雙氧水、氫氟 酸、硫酸、硝酸、磷酸、鹽酸、氫氧化鉀、氨水、異丙醇、醋酸。
展開 
Pt催化劑的最新內容
Li等在COF-1中摻雜10% Pt-PCA催化劑(活性炭表面負載5.0%的鉑)得到的復合COFs材料對H
2的吸附量提高了2.6～3.2倍，同時也有研究者著手研究鈣、鎂、鈦等元素摻雜的COFs材料，其儲氫性能都得到了一定的提高。
在過去十年中，商業 PEMFC 產品嚴重依賴 Pt/C 催化劑。首次引入時，這些催化劑提供了優于無負載鉑黑的顯著優勢，因為負載催化劑可實現更小的納米顆粒。這些催化劑的簡單性既是優點也是缺點。從綜合的角度來看，當將設計限制為單個元素 (Pt) 時，幾乎沒有空間來調整活動性和耐用性。
)電催化劑用于ORR。
現有商業化析氫催化劑Pt載量為0.4~0.6 mg/cm2，貴金屬材料成本高，阻礙PEM水電解制氫技術快速推廣應用。為此降低貴金屬Pt、Pd載量，開發適應酸性環境的非貴金屬析氫催化劑成為研究熱點。
高穩定性催化劑
在高穩定性催化劑研究方面，主要從Pt/C催化劑的改進與新型催化劑研究兩方面進行研究與探索。目前采用的Pt/C電催化劑穩定性欠佳，在燃料電池動電位掃描下會產生溶解、聚集、流失等現象，導致活性比表面積減少。
通過對制備方法的改進，進行形貌控制，可有效地提高其活性與穩定性。
為此，人們研制出了Pt與過渡金屬合金催化劑、Pt 核殼催化劑、Pt單原子層催化劑，這些催化劑最顯著的變化是利用了 Pt 納米顆粒在幾何空間分布上的調整來減少Pt用量、提高Pt利用率，提高了質量比活性、面積比活性，增強了抗Pt溶解能力。
同時，以3DOM Fe/Co@NC-WO2-x為空氣電極組裝的鋅-空氣電池性能顯著優于基于Pt/C催化劑的電池性能，容量密度和比容量分別達到968.96 W h kg-1和757 mA h gZn-1。
催化劑的降解顯著地抑制了電化學氧還原反應(ORR)的長期穩定性。
圖3. a)C-Co2P，Co2P和Pt/C催化劑在1MKOH中的極化曲線，b)過電位比較和c)Tafel圖。d)C-Co2P催化劑與以往報道的過渡金屬基催化劑在堿性條件下的性能比較。
結果如下：
事實上，各種參數是可調的，要針對晶片和機子選擇合適的條件：
可選
機械拋光液
為：SiO2、Al2O3、二氧化鈰；
可選
化學拋光液
為：高錳酸鉀、雙氧水、Pt催化劑、
