质子交换膜燃料电池阴极过渡金属化合物催化剂研究的综述报告

质子交换膜燃料电池阴极过渡金属化合物催化剂研究的综述报告随着人们对清洁能源的需求日益增加，质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）逐渐成为一个备受关注的清洁能源技术。然而，要使PEMFC实用化，我们必须解决其不可避免的问题之一——阴极催化剂的失活。阴极催化剂是PEMFC中起到关键作用的组件，它能够催化氧气还原反应（ORR）并转化为水，从而产生电子。然而，这种催化剂存在失活的问题，阻碍了PEMFC的实际应用。为了解决这个问题，近年来研究人员已经开始集中研究质子交换膜燃料电池阴极过渡金属化合物催化剂，并取得了一些重要的进展。下面将对这方面的研究进展做一个综述报告。一、阴极催化剂失活现象理论上，阴极催化剂应该能够在PEMFC的使用寿命期间保持高效。然而，在实际情况下，阴极催化剂通常会失活，导致PEMFC的性能下降。阴极催化剂失活通常有三种主要原因：1.碳中毒：随着燃料电池的使用，阴极催化剂表面会逐渐形成碳颗粒。这些碳颗粒会吸附氢离子并阻碍氧气分子进入催化剂表面，从而导致催化剂失活。2.电化学腐蚀：氧分子在阳极产生氧化剂之后，会在阴极还原成水，同时释放出电子。这些电子会通过阴极催化剂流动，导致催化剂表面发生电化学反应并导致腐蚀，从而进一步导致催化剂失活。3.晶格氧化：阴极催化剂通常包含一些过渡金属，如铂、钴或镍等。这些金属会在反应中释放出氧化物，导致催化剂表面氧分子的浓度增加。这将导致催化剂晶格结构的氧化并使催化剂失活。二、阴极催化剂材料为了解决这个问题，研究者认为阴极催化剂应当同时满足以下三个方面的要求：高效催化ORR、防止催化剂失活、低成本。近年来，研究者已经尝试利用一些合金化合物、过渡金属氧化物、碳基材料等新型纳米材料作为阴极催化剂，并在一定程度上得到成功。1.Pt合金化物虽然铂（Pt）是作为PEMFC阴极催化剂的“黄金标准”，但Pt的成本使得PEMFC难以商业化。因此，研究者一直在寻找替代品，其中之一是Pt合金化物。Pt合金化物可以提高催化剂的稳定性和导电性，并减轻碳中毒的影响。例如，研究者已经发现Pt-Ni合金能够减少阴极催化剂的失活，因为Ni可以与Pt形成Ni-Pt合金，从而防止催化剂的晶格氧化。2.过渡金属氧化物过渡金属氧化物是一种性能优异的阴极催化剂，其成分丰富，价格低廉，因此具有良好的应用前景。例如，镍氧化物（NiO）已被证明是一种有前途的催化剂，它可以在低温下催化ORR，并具有良好的电化学稳定性。此外，由于NiO表面的缺陷可以提高ORR活性，所以NiO也不会产生太大的碳中毒问题。3.碳基阴极催化剂碳基阴极催化剂是一种非常有前途的替代催化剂，其优点包括价格低廉、容易合成和使用。例如，石墨烯氧化物（GO）因其优异的电活性和导电性，以及良好的防止碳中毒和电化学稳定性，被认为是一种有前途的PEMFC阴极催化剂。三、阴极催化剂的改性除了寻找新型材料外，研究者还可以通过改性现有催化剂来改善PEMFC的性能。其中，改变催化剂的形态结构是一种有效的方法之一。1.纳米化纳米化是一种常见的策略，可以大大改善阴极催化剂的性能。由于纳米颗粒的表面积和表面能增加，因此在PEMFC中的催化剂活性可以得到显著提高。2.复合改性另一个较为常见的改性方法是制备复合催化剂。例如，利用碳基材料作为载体，并在其表面包裹一层Pt-Ni合金，可以增加Pt-Ni的催化活性，并降低碳中毒的影响。此外，将NiO与其他金属氧化物（如TiO2、Co3O4等）混合使用，可以发挥不同催化剂在ORR中的优势。四、未来展望这些研究成果表明，不断探索阴极催化剂材料和改性方法是解决PEMF