活性炭對甲醇氧化反應(yīng)的電催化

　　為了減少化石燃料的需求，迫切需要可持續(xù)和成熟的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。為了讓間歇性能源發(fā)電技術(shù)站穩(wěn)腳跟，儲(chǔ)能解決方案需要變得更好性能和經(jīng)濟(jì)可行性。我們使用鎳基金屬有機(jī)骨架及其與活性炭的復(fù)合材料作為甲醇氧化反應(yīng)的催化材料，使用循環(huán)伏安法在三電極設(shè)置的玻璃碳電極上測試用于甲醇氧化的催化劑的電化學(xué)活性。

　　活性炭鎳金屬復(fù)合材料的合成

　　通過攪拌將對苯二甲酸溶解在100ml二甲基甲酰胺中。然后，在溶液中加入幾滴三乙胺。然后將硝酸鎳六水合物加入溶液中，并將所得溶液攪拌30分鐘。將活性炭(10-60mg)加入溶液中并攪拌2小時(shí)。將制備的溶液倒入高壓釜(特氟龍內(nèi)襯)中，并在烘箱中在120℃下加熱24小時(shí)。通過過濾收集合成的活性炭晶體，用二甲基甲酰胺反復(fù)洗滌以洗掉多余的有機(jī)物質(zhì)，然后在80℃的真空烘箱中干燥。圖1顯示了活性炭復(fù)合材料的SEM圖，SEM圖像顯示活性炭鎳金屬復(fù)合材料的平均直徑為600nm的球形結(jié)構(gòu)。也可以看到活性炭顆粒結(jié)合在鎳金屬骨架的球形結(jié)構(gòu)之間。

　　圖1：活性炭鎳金屬復(fù)合材料的SEM圖像。

　　活性炭復(fù)合材料的電化學(xué)性能測試

　　通過在KOH和CH3OH中氧化甲醇，使用循環(huán)伏安法測試活性炭復(fù)合材料的電化學(xué)性能。具有活性炭復(fù)合材料的鎳金屬對甲醇氧化反應(yīng)表現(xiàn)出更高的催化活性(見圖2)。在鎳金屬改性玻璃碳電極的情況下，峰值電流密度沒有添加活性炭的高。具有更高濃度活性炭(40mg)的樣品顯示出高峰值電流密度。隨著活性炭量(60mg)的進(jìn)一步增加，峰值電流密度降會(huì)稍微降低。綜上所述，建議將活性炭的濃度增加到一定限度可以提高電流密度。然而，增加活性炭的濃度也可能對催化活性產(chǎn)生不良后果。此外，活性炭復(fù)合材料的CV曲線具有不同的形狀和峰位置，這是因?yàn)楹铣蓵r(shí)活性炭分散不完全，也由于其大量使用導(dǎo)致催化劑發(fā)生簇集，導(dǎo)致覆蓋金屬有機(jī)框架表面，從而阻礙活性催化位點(diǎn)在低電位下進(jìn)行反應(yīng)，從而在高電位下發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。

　　圖2：鎳金屬框架和復(fù)合活性炭在KOH和甲醇中的循環(huán)伏安圖。

　　復(fù)合材料的穩(wěn)定性

　　計(jì)時(shí)電流法用于確定在0.8V電位下制備的活性炭復(fù)合材料在KOH和甲醇溶液中具有類似電極設(shè)置的百分比穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3所示。可以看出，反應(yīng)開始后，電流值很快下降到特定值，這是由于形成了中間物質(zhì)，如CO之后隨著時(shí)間的推移，電流逐漸減小，直至3600秒后達(dá)到準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。這可能是因?yàn)樵诜磻?yīng)開始時(shí)甲醇覆蓋在催化位點(diǎn)上，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在催化位點(diǎn)表面形成了甲醇平衡層，這會(huì)減慢整個(gè)過程，一氧化碳的形成會(huì)影響所有制備的穩(wěn)定性電催化劑。在所有制備的復(fù)合材料中，活性炭含量40的鎳金屬復(fù)合材料根據(jù)其高電流密度在3600秒的設(shè)定時(shí)間內(nèi)顯示出優(yōu)異的百分比穩(wěn)定性。

　　圖3：金屬框架及其復(fù)合活性炭在KOH和甲醇中的相對穩(wěn)定性曲線。

　　活性炭對甲醇氧化反應(yīng)的電催化研究，鎳金屬框架及活性炭復(fù)合材料是通過成本較低且對環(huán)境有利的水熱法生產(chǎn)的。對合成的材料進(jìn)行了電催化甲醇氧化反應(yīng)測試。活性炭含量40的復(fù)合材料表現(xiàn)出較好性能，電流密度比較高還具有更低的過電位值和更高的穩(wěn)定性。鎳金屬骨架與活性炭的非貴金屬復(fù)合材料使其成為一種價(jià)格低廉但在甲醇氧化電催化劑領(lǐng)域與鉑催化劑競爭的潛在候選者。高電流密度和低成本使其成為各種燃料電池應(yīng)用中現(xiàn)有電催化劑的有前途的替代品。

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