固體所在液相激光輻照制備硫 研究方面取得進展

來源:智慧光    關鍵詞:激光, 激光輻照, 激光技術,    發布時間:2019-06-17

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近期,中科院固體所液相激光加工與制備實驗室在液相激光輻照制備硫、氮共摻碳納米管負載氧化鎳電催化劑(NiO/S,N-CNTs)研究方面取得進展,并對其甲醇氧化電催化性能進行了探究。

甲醇是一種重要的能量載體,常溫常壓條件下為液態,具有運輸和存儲方便、燃燒效率高、潔凈環保等優點。發展以甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(PEMFC),是繼水力、火力、原子能發電方式之后的“第四種發電方式”,也是解決環境與能源危機的有效途徑之一。

當前,電化學催化甲醇氧化主要采用鉑基貴金屬納米材料作為催化劑,催化劑的制備成本高昂。因此開發廉價的非貴金屬基甲醇氧化催化劑,解決其催化活性低和穩定性差的普遍性難題,對推動PEMFC研究的發展具有重要的研究價值和科學意義。

近年來,研究人員在基于納米材料結構與缺陷工程來提高PEMFC催化活性方面開展了大量富有成效的研究工作,均極大地提高了非貴金屬基催化劑的甲醇氧化催化活性。然而,在甲醇氧化反應中,面對苛刻的電解液環境,高活性納米催化劑材料很容易因為發生表面結構重構、聚集生長或者中間態物種吸附而導致失活。因此,兼顧甲醇氧化催化劑的催化活性和穩定性是十分必要的。
基于此,固體所液相激光加工與制備實驗室從催化劑載體設計的角度出發,提出以S、N元素摻雜碳納米管為支撐載體,錨定小尺寸NiO納米顆粒,以提升其甲醇氧化催化活性和穩定性。

研究人員通過液相環境下脈沖激光輻照的方法制備高濃度S、N元素摻雜的NiO納米顆粒原位負載碳納米管(NiO/S,N-CNTs)。在激光輻照過程中,S、N元素的摻雜能夠為NiO的成核生長提供更多的附著位點,加速了激光誘導碳納米管表面局域高溫區域Ni2+離子反應前驅體的消耗速度,降低了負載NiO納米顆粒的尺寸;此外,由于S、N元素的摻雜,碳納米管對NiO納米顆粒的錨定作用得到顯著增強,使得兩者間的接觸電阻減小,促進了界面電子傳輸,對其電化學活性有提升作用。堿性條件下的電化學測試結果表明,NiO/S,N-CNTs具有良好的甲醇氧化催化性能,其初始甲醇氧化質量比活性為2200mA/mg。連續測試40000秒后,其質量比活性保持率為65.8%,展現了良好的循環穩定性,甲醇飽和濃度可提升至13M。

該研究工作為基于液相激光制備與加工技術實現碳納米管摻雜,開發低成本、高效的非貴金屬基甲醇氧化催化劑提供了新的思路。相關結果以全文的形式發表在Carbon雜志上。
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