山西煤化所燃料電池催化劑設計研究取得关键進展
直接甲醇燃料電池（DMFC）因其能量密度高，運輸、儲存方便，汙染小等優點受到廣泛關注。但是DMFC大量使用Pt基催化劑使其價格高昂，同時Pt易受到甲醇氧化反應中間體（尤其是CO）的中毒而失活，從而嚴重限制了DMFC的商業化進展。在已有的提高Pt基催化劑活性和抗中毒能力，制取低成本和高穩定性的Pt基催化劑的策略中，設計構築合適的催化劑載體是一種最容易在不改變現有催化劑生産技術上，簡單有效實現規模化DMFC生産的方法。爲此，國內外研究者在不斷開發各種先進載體以獲得優異性能。
近日，山西煤化所童希立科研團隊在長期碳化矽研究基礎上，發現通過納米碳化矽載體支持，可以明顯減少Pt的使用量並保持活性（是商用Pt/C催化劑3倍以上），同時提高了其抗CO中毒能力（圖1）。具體過程是采用CCl4幹法腐蝕SiC表面的Si原子，在SiC表面原位生成一層超薄碳，碳層的厚度通過腐蝕時間得到調控。該材料支持Pt催化劑，表现出优异的催化甲醇氧化（MOR）性能，同时发现随着碳层的增厚，催化劑氧化甲醇的性能随之明显提高，抗CO中毒能力和穩定性等也得到明顯改善。DFT計算研究其反應機理表明（圖2），随着表面碳层的增厚，催化劑Pt上CO的吸附能明显减小，减缓了催化劑CO中毒現象；同時OH的吸附能增大，促進了Pt表面吸附的甲醇分子的氧化，使活性獲得顯著提高。
該研究得到了國家自然科學基金等項目的資助與支持。相關工作以主封面形式發表在Small雜志，DOI：10.1002/smll.201902951。
圖1 商業Pt/C、Pt/SiC和Pt/SiC-C的(a) 循环伏安圖和 (b)抗CO溶出圖
