以掺钽二氧化钛为载体提高Pt电催化剂的耐久性外文翻译资料

 2022-08-08 11:08

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

以掺钽二氧化钛为载体提高Pt电催化剂的耐久性Muhammad Tuoqeer Anwar a, Xiaohui Yan a, Shuiyun Shen a,

Naveed Husnain b, Fengjuan Zhu a, Liuxuan Luo a, Junliang Zhang a,*

a Institute of Fuel Cell, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Dongchuan Rd. 800, Shanghai, China

b Institute of Thermal Engineering, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Dongchuan Rd.800, Shanghai, China

摘要：质子交换膜燃料电池的性能和耐久性在很大程度上取决于催化剂载体材料。传统上，碳被用作载体，但其易于被腐蚀使其不太适合燃料电池的应用。Pt-C之间的弱相互作用导致Pt纳米粒子在载体表面分布不均匀，耐久性差，从而降低了PEMFCs的整体性能。为了引入比碳更稳定、更耐用的载体，采用改进的溶胶-凝胶法合成了掺杂钽的二氧化钛纳米颗粒，并将其作为Pt电催化剂的催化剂载体进行了研究。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICPOES）和透射电子显微镜（TEM）对载体进行了表征。电化学性能表明，掺钽二氧化钛比纯二氧化钛的导电性能有很大提高。此外，与Pt/C相比，Pt/Ta-TiO2表现出更高的ECSA保留率和可比的ORR活性，表明所需的耐久性

关键词：碳腐蚀；燃料电池；Pt基电催化剂；载体催化剂；掺钽二氧化钛

  1. 介绍

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为一种很有前途的电力应用技术，近几十年来受到了广泛的关注。由于其高功率密度、相对较低的工作温度、快速冷启动和易于大规模生产，它们比其他类型的燃料电池更受欢迎。除此之外，它们经久耐用，采用环保材料制造。更重要的是，由于排放几乎为零，因此具有更高的效率和更绿色的发电，使其成为商业化的候选产品。影响PEMFCs商业化的主要因素是成本、耐久性、可靠性和性能。最大的挑战是用于质子交换膜燃料电池的材料成本很高，因此极有必要引入相对便宜的材料[1-3]。为了提高催化剂的利用率和降低PEMFCs的成本，Pt纳米颗粒由于其高导电性、低成本、高电流密度和高比表面积而通常被负载在碳材料上[4-7]。然而，Pt/C的降解现象存在，限制了其大规模应用。以往的研究提出了不同的降解机理，如碳的腐蚀、Pt金属纳米粒子的溶解和Ostwald熟化。其中，碳腐蚀会导致严重的Pt损失和电池性能下降，必须加以解决。为了获得更好的ORR活性，Pt纳米颗粒的大小及其均匀分布至关重要[8,9]。无保护启动和关闭后，阴极催化剂层的高电位通常会发生碳腐蚀：

C 2H2O→CO2 4H 4e- （0.207 V vs. RHE, 25 ℃) （1)

与阳极催化剂层相比，阴极催化剂层的电压损失更为突出[10]。Pt负载碳的降解被认为是由于发生了反向电流。除此之外，当用作阴极催化剂时，碳表面上Pt的存在极大地促进了碳的腐蚀[11-15]，从而导致Pt纳米粒子的分离/聚结，从而降低了电化学活性面积，进而降低了燃料电池的性能。为了提高碳载体的稳定性和耐久性，在纳米尺度上对碳载体进行了改性。例如，Smirnova等人引入了不同孔径的碳气凝胶作为载体材料。与市售催化剂相比，载体表现出两倍的ECSA。

同样，Ambrosio等人研究了有序介孔碳作为质子交换膜燃料电池的载体材料。石墨化程度的提高进一步提高了载体的导电性[16,17]。碳载体也被功能化以获得更好的Pt纳米粒子锚定位置，但功能化不能明显减轻电化学氧化，从而降低电化学活性表面积[18]。

实际上，碳基载体材料的降解问题是不可避免的。为了合成坚固的载体材料，使用了不同的替代材料，例如金属氧化物（SnO2、TiO2）、碳化物（Ti3AlC2）、合成聚合物（PANF）、氮化物（TiN）[19-23]等，以利用它们在恶劣氧化环境中的惰性。

在这些材料中，TiO2在光伏、气体传感器和水分解等领域有着巨大的应用，因为它具有高机械强度、在恶劣氧化和酸性环境中的耐久性、易获得性、无毒性和低价格等独特性能[24-27]。虽然TiO2具有催化剂载体材料所需要的性能，但是较差的电导率限制了它在燃料电池中的应用。因此，已经提出了几种方法来提高纯TiO2的导电性以用作催化剂载体材料，包括TiO2的结构改性（亚氧化钛Ti4O7）、通过还原环境中的热处理产生氧空位以及将粒径降低到纳米级。另一种提高导电性的方法是在其上掺杂一些合适的材料。之前，有报告称掺Nb的二氧化钛可作为PEMFCs的催化剂载体[28-32]。

在这项研究中，我们提出了纳米级掺钽二氧化钛（Ta-TiO2）作为Pt电催化剂的催化剂载体材料，以利用其优异的稳定性和耐久性。据推测，使用五价Ta掺杂并将其尺寸减小到纳米级将显著提高导电性。此外，与掺入二氧化钛晶格中的铌相比，用钽替代钛原子所需的能量更少，从而使其合成更容易[33]。在特定的条件下，采用改进的溶胶-凝胶法合成了纯二氧化钛和掺钽二氧化钛。结果表明，与纯二氧化钛相比，负载于钽掺杂二氧化钛具有更好的电化学性能。与市售Pt/C催化剂相比，制备的催化剂Ta-TiO2负载Pt具有更高的耐久性和足够的ORR性能，有助于其在PEMFCs中的潜在应用。

  1. 实验
    1. 纯二氧化钛和钽掺杂二氧化钛的合成

有许多方法可以制备纯二氧化钛[34-37]。本研究采用溶胶-凝胶法合成了纯二氧化钛纳米颗粒。将适量比例的异丙醇钛Ti（OiPr)4（Sigma Aldrich）混合在无水乙醇中，逐滴加入1:1的乙醇-水溶液中。在整个过程中，溶液一直处于严格搅拌状态。对得到的悬浮液进行过滤，得到白色沉淀物。然后在110摄氏度的烤箱中在空气中干燥15小时[38]。

为了合成掺钽的二氧化钛，对传统的溶胶凝胶法进行了改进。加入五氧化钽（Sigma Aldrich)，Ta（OEt)5作为钽的前驱体。将适量的钛和钽前体添加到无水乙醇中。将该混合物加入到1：1的乙醇/水溶液中，然后进行上述步骤[39]。

在烤箱中干燥后，在不同的煅烧温度（400、600、800、1000℃）下煅烧纯二氧化钛和掺钽二氧化钛样品。只有在煅烧温度较低的情况下，才能在表面成功掺杂，而在较高的温度下，可以实现整体掺杂[40]。通过实验确定了最佳煅烧温度。

使用改进的乙二醇法合成了Pt/TiO2（50wt％)和Pt/Ta-TiO2（50wt％)。在特定的装置中，搅拌溶解在乙二醇中的适当比例的K2PtCl4，直到完全分散。另一种溶液由溶于乙二醇的TiO2/Ta-TiO2纳米颗粒组成，搅拌并超声处理直至完全分散。然后，这两种溶液混合在一起。用1.0MNaOH溶液将pH从6提高到11。将该溶液在140℃加热3小时并伴随回流。然后将其冷却至室温，过滤，用去离子水洗涤几次。最后，将其在70℃的真空烘箱中干燥一夜。合成纯二氧化钛和掺杂二氧化钛的示意图如图1所示。

H2O Abs.Ethanol

Mixing

TIitanium

Isopropoxide Abs.

Ethanol

Hydrolysisl

Fliter and Dry

Calcination

Pure Titania

TIitanium

Isopropoxide

Abs.Ethanol

TIitanium

Pentethoxide

Mixing

Mixing

H2O Abs.Ethanol

Hydrolysisl

Fliter and Dry

Calcination

Ta Doped Titania

图1 纯二氧化钛纳米颗粒的合成示意图（a）；掺钽二氧化钛纳米颗粒的合成示意图（b）。（有关此图例中颜色的说明，请参阅本文的网络版。）

    1. 特性描述

为了观察Ta-TiO2和Pt/Ta-TiO2的形貌，使用了透射电子显微镜（JOEL2100F场发射显微镜）。此外，利用X射线衍射技术对纯二氧化钛和掺杂二氧化钛的物相进行了分析。XRD装置配备了使用CuK（alpha;）辐射（）的Brucker D8高级衍射仪。数据收集范围为10-90°，扫描速度为2°min -1。利用X射线光电子能谱（XPS，Shiamdzu-Kratos-AXIS-Ultra-DLD仪）研究了钽在TiO2中的掺杂行为。除此之外，还使用了电感耦合等离子体发射光谱（Thermo-iCAP6300）进一步测定了TiO2中钽的含量。阐述了Pt在二氧化钛纳米颗粒上的金属负载量。

使用电化学工作站（CHI 660D）对纯二氧化钛，掺杂二氧化钛和市售Pt/C（TKK，46.7wt％）进行电化学测量。采用面积为1.96 times; 10 -1cm2的玻碳电极作为旋转圆盘电极（RDE）的工作电极。将标准甘汞电极用作参比电极，而将Pt丝用作对电极。将5mg催化剂与2ml无水乙醇和10ml 20%Nafion溶液（Nafion在异丙醇中，Nafion购自杜邦）混合，制备催化剂油墨。超声处理30分钟，得到均匀的催化剂悬浮液。将3ml该悬浮液倒在玻碳电极上两次，然后在空气中干燥。RDE的最终Pt负荷为0.038 mgpt cm-2。使用氮气净化的0.1 M HClO4（Sigma Aldrich提供的HClO4）作为电解质，并使用20 mV s-1的扫描速率进行循环伏安法（CV）以分析电化学活性表面积。为了分析所制备的催化剂的耐久性，在氮气净化的0.1 M HClO4中进行了10000个循环的循环伏安法，扫描范围为0-1.2 V（相对于可逆氢电极，RHE）。使用CV进行耐久性测量的扫描速率保持在200 mV s-1。为了评估所制备的催化剂的性能，还在相同环境下测试了市售催化剂Pt / C（TKK，46.7 wt％）。在每次电化学测量之前，通过电位循环激活电极。此外，所有的测量都是在室温下进行的。

  1. 结果与讨论

不同煅烧温度下纯二氧化钛和掺钽二氧化钛的典型X射线衍射图如图2所示。衍射角为25.1°、37.9°、48.0°、63°的峰对应锐钛矿相，而28°、36°和55°附近的峰代表二氧化钛的金红石相。

<p

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p

资料编号：[258532]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章