1、直接甲醇燃料电池燃料电池是 21 世纪首选的“绿色”发电方式,直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)是目前继质子交换膜燃料电池(PEMFC)之后,商业化最好的燃料电池。它是将甲醇和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。DMFC 除了具有一般燃料电池的优点外,同时还具有室温快速启动、可靠性高、燃料补充方便、体积和质量比能量密度高、红外信号弱、装置轻便机动性强等特点,是一种极有发展前途的清洁能源用功率源,在手机电源等微型移动电源和千瓦级的工业用可移动电源及电动车方面有广泛的应用前景,是燃料电池未来发展的重要方向。从技术层面上讲, DMFC 的研究开发
2、目前依然面临着以下挑战: 即常温下燃料甲醇的电催化氧化速率较慢; 贵金属电催化剂易被 CO 类中间产物毒化; 在长期使用过程中,甲醇易渗透过质子交换膜到达阴极,使得阴极电催化剂对氧还原性降低、电池性能下降5-6。目前,解决上述问题的方法一是需要开发高活性抗 CO 中毒的阳极电催化剂;二是需要开发新的质子交换膜,有效地减少甲醇的渗透。随着将直接甲醇燃料电池组应用到便携式产品进程的加快,这就要求DMFC 在室温和常压下使用 ,对电催化剂的性能提出更高的要求。 【9】目前,DMFC 所用的电催化剂均以铂为主催化剂成分,因为只有铂才具有足够的电催化活性( 对于两个电极反应均具有电催化活性)以及在强酸性
3、化学环境中良好的耐腐蚀性能使得它可长期工作。但是铂的价格较为昂贵,且资源溃乏,使得DMFC 的成本居高不下,限制了其大规模的应用。当前在 DMFC 催化剂方面研究的重点主要集中于:(1) 提高铂的有效利用率 ,降低其用量;(2) 改善其性能衰退问题；(3) 寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。1：燃料电池燃料电池(FuelCell) 是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂” 。1.1 电池的主要参数电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和
4、电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。在电池反应中，1 千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。1.2 燃料电池简介燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有
5、以下特点： （1）能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料电能转换效率在45% 60%，而火力发电和核电的效率大约在 30%40%。 （2）有害气体 SOx、NOx 及噪音排放都很低 CO2 排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。 （3）燃料适用范围广。 （4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。 （5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最
6、低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC） 、磷酸型燃料电池（PAFC ） 、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC ） 、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供。1.3 能量变化为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡
7、轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍我们生产大量的电力，而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。 一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种
8、电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的，因此不能用于大规模设施。2.DMFC 工作原理CH3OH H2OH+CO2 电解质膜H2O/过量 O2/N2空气（O 2）催化剂层 扩散层甲醇氧化阳极室 阴极室氧气还原 负载e- e-图 1 直接甲醇燃料电池的工作原理图 1 为 DMFC 的结构原
9、理图。DMFC 由阳极、电解质膜和阴极构成,阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成。通常使用不同疏水性、亲水性的碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)作为 DMFC 阳极和阴极的材料。DMFC 电解质的选择可以是碱性,如 KOH 和 NaOH 等,也可以是酸性 ,如 H2SO4 等,但由于甲醇电催化产物 CO2 在碱性溶液中易生成溶解度小的碳酸盐 ,故一般使用酸性电解质。甲醇( 液相或者气相) 和氧气或空气分别送入阳极和阴极室,在阳极甲醇和水通过阳极扩散层扩散至催化剂层(即电化学活性反应区域),发生电化学氧化反应,生成二氧化碳和质子。二氧化碳则通过阳极扩散层扩散回到阳极室中。而质子则在电场作用下
10、通过电解质膜迁移到了阴极催化剂层,并与由阴极室通过阴极扩散层扩散而至的氧气反应生成水。电子经过外电路也到达阴极。同时在这一过程中,甲醇在扩散和电渗作用下,从阳极渗漏到了阴极,部分甲醇又在阴极催化剂层与氧气反应生成二氧化炭和水3 。 【2】阳极：CH 3OH+H2OCO 2+6H+6e-阴极：3/2O 2+6H+6e-3H 2O总反应:：CH 3OH+3/2O2CO 2+2H2O阳极反应的标准电极电势为 0.046V，阴极反应的标准电极电势 1.229V，电池的标准电动势为 1.183V。 【16，18】理论上 DMFC 的 E0=1. 18 V,能量转换效率为 96. 68%3。但实际上存在因
11、电池内部电阻引起的欧姆损失,造成 DMFC 实际输出电压远小于理想电池标准电压4。3.催化机理3.1 阳极催化剂的开发为了寻找性能优良的阳极催化剂,人们对甲醇(CH3OH)的电催化氧化性能进行了大量的研究。目前,研究工作主要集中在两个方面:一是研究其在电极上的吸附和氧化机理；二是着眼于电催化剂的催化性能。显然电极的表面性质和表面结构是决定电极的电催化性能的最重要因素,因此人们希望通过研究不同的电极表面性质和表面结构对 CH3OH 电催化氧化的催化性能的影响,从而找到合适的具有高催化活性和高稳定性的电极,以便应用于实际的 DMFC 中。在单金属电极中铂电极对甲醇的氧化呈现最高的活性,但随着极化过
12、程的不断进行,其活性会大大降低(一般认为某些中间产物 CO 和 COH 吸附在电极表面,能使电极失去活性即发生毒化现象)。因此必须研制出适合 DMFC 的新型电催化剂。目前采用的主要方法有：(1)采用铂合金;(2) 利用酞菁（tai qing）和卟啉（bu lin）配合物;(3)以导电聚合物作为载体形成复合催化剂。 （4）钙钛矿类氧化物 【4】提高电极催化剂活性是推动 DMFC 发展的关键之一,对阳极催化剂材料有 3个基本要求：活性、稳定性、质子和电子导电性。3.2 催化机理和催化剂选择原则尽管甲醇的标准化学电势与氢的非常接近,但甲醇的电氧化过程却要复杂的多。甲醇完全氧化需要转移 6 个电子,
13、释放 6 个质子,这意味着甲醇的氧化不是一步完成的。甲醇的电氧化机理可简单地分为两步9: 甲醇吸附到电极催化剂上并逐步脱质子形成含碳中间产物;含氧物种参与反应 ,氧化除去含碳中间产物。迄今为止,能在较低温度下和酸性电解质中吸附和催化氧化甲醇的仍然是金属 Pt 或其合金 ,所以甲醇电催化剂的研究多集中于铂基催化剂的制备、调变等方面。甲醇在 Pt 及其合金电极催化剂上的反应包括如下步骤：【3】CH3OH+PtPtCH 2OH+H+e- (1)PtCH2OH+PtPt 2CHOH+H+e- (2)Pt2CHOH+PtPt 3COH+H+e- (3)Pt3COHPtCO+2Pt+H +e- (4)Pt
14、(M)+H2O Pt(M)OH+H+e- (5)通过(5),生成大量的含氧物种。PtCO+Pt(M)OHPt+Pt(M)+CO 2+H+e- (6)通过(6),完成对甲醇的催化氧化若以纯铂为电催化剂, 甲醇在铂表面电吸附后, 经多步脱氢产生吸附氢离子和电子, 同时生成吸附的 有机中间产物(CH2OH、 CHOH、COH),OH 基团和 CO, 由于 CO 在 Pt 上具有很强的吸附能力, 它的产生将会影响 Pt 电极催化脱氢, 使 Pt 中毒, 从而降低 Pt 的催化活性。有机中间产物和 CO 可进一步与电极表面吸附的 OH 基团发生反应 , 并最终转化为 CO2 和水。电极表面吸附的 OH
15、基团的浓度与电极电位有关, 电极电位越低 , 其浓度越低, 则 Pt 的毒化程度越高; 在高的电极电位下, 电极表面吸附的 OH 基团的浓度较高, CO 容易被除去, 可大大降低 Pt 的毒化程度, 但同时也降低了电池的电压 , 使电池效率大大降低。因此, 采取在 Pt 中加入第二种亲氧金属如 Ru,Sn, Os, Ir, Mo,W 等的方法, 保护 Pt 即使在低电位下也不被毒化。第二种金属的作用机理可阐述如下: 第二种金属元素( 如 Ru)通过与 Pt 的导带相互作用改变了 Pt 表面的电子结构 ，影响了甲醇的吸附和脱质子过程，减弱了 Pt 和表面吸附中间产物之间的化学键；第二种金属元素可
16、在更低电位下活化水分子生成吸附 OH 基团, 从而增加电极表面 OH 基团的浓度，利于氧化 CO 类中间产物；第二种金属元素( 如 Ru、Sn 等)不稳定,可从合金中溶出, 溶出后留下了高度网状、高活性的表面, 这就为甲醇反应增加了空间反应点。此外, 这些低配位点在远低于甲醇氧化电位的条件下, 氧化产生 Pt-(OH)ads; 与 Pt 相邻的第二 种 金 属 元 素 ( 如 Ru、Sn 和 W) 吸 附 OH 基 团 的 能 力 强 ,催化剂的活性取决于第二种金属吸附和传送(OH)ads 到相邻 Pt 原子的能力。还有一种观点认为, 由于 Ru 加入 Pt 晶格后 , 使(CO)ads 在合
17、金表面的吸附状态有所改变, 降低了吸附能, 起到了活化吸附态(CO)ads 的作用。 【4】另外发现甲醇在 PtRu 上的吸附开始于氢的吸附/ 脱附区域19, 这也是电子作用的反映 。同时 Ru 的加入能使吸附的含碳中间物中的 C 原子上正电荷增加,使其更容易受到水分子的亲核攻击。另一方面,Ru 的加入能增加催化剂表面含氧物种覆盖度。这种表面含氧物种可能不仅限于RuO 物种的存在,PtO 物种也有可能因 Ru 的存在而增加 20。从甲醇电氧化的双功能模型角度看来,希望 PtRu 催化剂中的 Pt 是还原态的 ,而 Ru 是氧化态的。PtRu 催化剂的制备方法对其性能影响显著,制备方法多样 :共
18、浸渍、共沉积、胶体法等。EXAFS 和 XANES 表征结果显示,目前研制的 PtRu 催化剂中仅有少量的 PtRu 原子簇具有一定的相互作用,而大部分 Pt、Ru 是孤立地存在,甚至在某些 Pt 原子簇的外面还包裹着 Ru,没有满足协同作用所要求的 Pt、Ru 位置临近以便吸附的中间物相互作用这一条件,这一定程度上也说明了为什么贵金属尤其是Pt 利用率过低和催化剂活性尚不够高的问题,这就需要探索新的催化剂制备方法。针对这个问题,Boxall 等26采用 PtRu 复合物作为单一源分子前体在微波照射条件下制备出了纳米微区内 n(Pt)n(Ru)=11 的高性能阳极电催化剂。另外,Schmidt
19、 等25 利用四氢呋喃作溶剂,用三乙基硼氢酸四乙基铵盐作还原剂和稳定剂,制成 PtRu 胶体,然后再担载到活性炭上,可制得分布范围较窄、平均粒径小于2nm 的合金催化剂,贵金属的利用率得到提高,PtRu 间的相互作用有所加强。最近,Lee 等27简化了 Schimdt 等的方法制备出超细的非担载型的 PtRu 高活性合金催化剂。尽管如此,该制备体系均需在无水非氧的有机相中进行,且采用的还原剂和有机试剂皆有较强毒性。上述制备过程繁琐,对环境不友好,成本也较高。PtSn 是另一个研究较为广泛的二元催化剂。但 Sn 的助催化作用可能不同于 Ru,Ru 无论是电化学沉积于 Pt 表面还是与 Pt 形成
20、合金结构都具有明显的助催化作用,而 Sn 的作用可能因加入方式的不同而不同。合金结构的 Sn 能引起 Pt的 d 电子轨道的部分填充,并能引起 PtPt 金属键的伸长,它不利于甲醇在 Pt 表面的吸附,也不利于 CH 键的断裂,但也同样能减弱 CO 等中间物在催化剂表面的吸附,这与 PtRu 合金催化剂中 Ru 的作用不一致。另一方面,Sn 的加入通过修饰 Pt 的电子性能 ,减弱反应中间产物在其上的吸附强度。Arico 等30认为 PtSn催化剂中存在着协同作用,并且发现当 Pt/Sn 的原子比为 32 时对甲醇的电催化作用最好,认为此配比的催化剂中从 Sn 转移到 Pt 的电子最多,而这种
21、电子转移和Pt 活性位上氧化物杂质的消除是甲醇氧化协同作用中的关键因素。另一方面,Pt和 PtSn 合金两种物相共存可能是提高催化活性的关键,Sn 的含量也可能有一定限制。总之,Sn 的助催化作用以及 Sn 的含量目前都存在争议 ,但倾向于认为其作用是通过电子效应来实现的,这与 Ru 的多重助催化效应不一样。不过,Sn 原子对 Pt 表面的改进机理还有其它的说法。Lee 等25认为 Pt-Sn与 Pt-Ru 的抗 CO 有两个方面：除了双功能机理降低 CO 的氧化电势外,合金催化剂改变了 CO 脱吸附反应的热力学及动力学特征 ,使吸附的 CO 得到活化。Morimoto 等26 研究了 CO
22、在 Pt、Pt-Ru、Pt-Sn 及 Pt-Sn-Ru 等催化剂上被氧化的特征,他们发现 CO 在 Pt 表面的吸附有线式和桥式 两种形态。桥式吸附在低电压下(0.5V)被氧化 ;线式吸附在较高的电压下(0.60.8V)才被氧化。在 Pt-Ru 合金上,线式吸附的 CO 氧化电压下降了 0.2V;在 Pt-Sn 合金上,同时存在线式吸附和桥式吸附,其中,桥式吸附的 CO 氧化电位降低而线式吸附的不变 ,这说明了 Pt-Sn 合金只对桥式吸附的 CO 氧化有利。W 的加入能显著地增加 Pt 临近位置上的OHads 数量，从而有助于反应(6)的进行,实验发现仅仅将氧化钨粉末机械混合到 Pt 黑催化
23、剂中就能明显地提高其抗CO 中毒的能力。WO 3 对甲醇在 Pt 上电氧化的助催化作用可能来 源于 W 的氧化态在反应过程中的迅速转变,即氧化态在 W() 与 W() 、W( )之间变化,一般认为这种氧化还原作用有助于水的解离吸附,丰富催化剂表面的氧化基团,同时对吸附在 Pt 表面的质子的转移也可能有一定作用。该类催化剂中的协同作用强烈的依赖于 Pt 在 WO3 颗粒周围的分散程度和两种元素的原子比。Shukla 等31 考察了不同原子比的 PtWO3-X 催化剂,发现 Pt/W 原子比为 31 时的催化活性最高;而 Pt/W 原子比为 32 时的催化剂活性最低,并且有较大的欧姆极化,他们将其
24、归结为过量的 WO3-X 部分覆盖了 Pt 活性位置,减弱了反应物的吸附,降低了催化剂的导电性能。他们认为钨是以水合氧化物的形式存在,并通过溢流作用丰富了 Pt 表面的含氧物种 ,从而防止 CO 等中间产物引起的中毒。Wang 等32等的工作证实钼酸盐的存在有助于甲醇在 Pt 上的电催化反应,并认为 Mo 的助催化作用来自 Mo()和 Mo()之间的转变 ,而实验也表明Pt075Mo025 催化剂抗 CO 中毒的能力和 Pt05Ru05 相当33,这说明 Mo 是对甲醇在 Pt 催化剂上的氧化具有很好的助催化作用,但 Mo 在催化剂中的最优化含量还有待研究。Mo 的作用可能类似于 W,在 Pt
25、W(Mo)催化剂中,它们可能都形成一种 W(Mo)青铜合金结构,其 助催化作用来自于反应过程中其氧化态的迅速改变34而活化并分解水分子 ,从而提供丰富的活性氧物种。但 Pt-W(Mo)催化剂的稳定性能还需要做进一步的研究,Shen 等35的研究结果表明 PtWO3 在酸性电解质中的稳定性不够好。Shubina 等36通过量子化学密度函数理论计算在PtRu、 PtMo、 PtSn 表面吸附 CO 和 OH 基团的结合能的变化,认为 PtMo、PtSn是比 PtRu 更好的 CO 电氧化催化剂,这对研究甲醇阳极催化剂也具有启示。4.2 三元催化剂实验发现,PtRu 等二元催化剂稳定性和活性不能满足
26、甲醇燃料电池长时间运转的要求。这可能是长时间运转过程中中间产物的积累、贵金属的流失、金属颗粒变大导致催化剂活性位减少等原因造成的,另外 Ru 化学态的改变也可能是导致 PtRu 催化剂活性降低的原因,表面氧化物的生成可能不利于催化剂活性的提高39。在 PtRu 基础上添加其它组分以提高催化剂的活性和稳定性是目前研究的重点。研究较成功的有 PtRuW、PtRuOs、PtRuMo 等体系。近来的研究结果表明添加氧化钨的 Pt 或 PtRu 催化剂对甲醇、甲酸乙酯 40、甲酸和重整气的氧化具有较高活性。但不同的实验条件得到的结果不同,主要差异在于催化剂中 W 的含量不同 ,需要综合考虑催化剂的活性和
27、导电性能。同样的催化体系,不同的研究者对 PtRuW 三元素的比例优化目前也没有统一的看法,这与催化剂的制备方法也有较大关系。例如 Pt/Ru/W 原子比为 312 的PtRuWO3 催化剂4 既考虑了催化活性的改善,又兼顾了催化剂本身的内阻,该催化剂综合性能优于 PtRu 和 PtWO3。G tz 等34认为 W 含量较高时(Pt/Ru/W=1 115)催化性能最好 ,其实验结果显示当各元素的原子比为111 时的三元催化剂对甲醇的催化活性顺序为 Pt/Ru/WPt/Ru/Mo(Pt/Ru)Pt/Ru/Sn。笔者曾考察了 W、Mo 调变的 PtRu 在单个甲醇燃料电池中的催化活性,发现 W、
28、Mo 的加入都能改善单电池在催化极化区的性能,Mo 的作用尤其明显,但在欧姆极化区,电池性能有如下顺序:Pt/Ru Pt/Ru/W Pt/Ru/Mo,这表明W、Mo 的加入使催化剂中的氧化物含量增加,降低了催化剂的导电性能。PtRuOs 是另一个研究较为成功的三元合金催化体系41。利用电弧熔化法或化学还原法制备的 PtRuOs 催化剂具有 面心立方晶体结构 ,催化剂表面含有较多的Pt(111)晶面,并且由于 Os 的存在,催化剂表面OH 基团更丰富,活性氧的供给更迅速,因而该催化剂表现出较 PtRu 或 PtOs 更高的催化活性。该三元合金催化剂能明显地减少 CO 等中间产物在催化剂表面的吸附
29、区域 ,利用该催化剂得到的单电池结果比同样条件下 PtRu 合金催化剂要好很多。此外 PtRuNi 等42三元体系也表现出较 PtRu 更好的催化活性。4.3 四元催化剂Arico 等43制备的 PtRuSnW 催化剂,半电池实验结果优于 Pt 催化剂,在低甲醇浓度范围内,高电流密度区的催化活性随甲醇浓度的增加而增加。XRD 和XPS 表明该催化剂中主要含有还原态的 Pt 和四价态 Ru、Sn 氧化物,而 W 是无定形的 WO2/WO3 混合物种。他们认为 RuO2、SnO 2、WO 3 等半导体氧化物的存在降低了催化剂的导电性能。PtRuOsIr 催化剂是近年来出现的较为新颖的甲醇电催化剂,
30、Reddington 等44,45利用组合化学的方法考察了不同配比的催化剂,发现少量 OsIr 的加入可以明显改善 PtRu 对甲醇的催化活性,他们将其归结为 Os 的介入促进了水分子在催化剂表面的吸附和活化,而 Ir 的加入则有助于 CH 键的活化从而迅速释放 Pt活性位,保证甲醇的及时连续吸附。尽管 PtRuOsIr 催化剂的比表面低于商品催化剂 PtRu 的比表面,但电化学实验表明前者对甲醇的催化性能优于后者。并且甲醇在 PtRuOsIr 催化剂上的反应行为可能不同于后者,因为电化学实验结果表明,在 PtRuOsIr 催化剂上甲醇的反应依赖于甲醇的浓度,可能是一级反应44,而在PtRu
31、催化剂上的反应行为与甲醇浓度无关。4.4 其他类催化剂除 Pt 及其合金催化剂外，其他类催化剂还有以导电聚合物作为载体形成复合催化剂、酞菁和卟啉配合物催化剂和非贵金属催化剂。4.4.1 复合催化剂(以导电聚合物作为载体)除了研究合金催化剂外,人们还利用导电聚合物作为 Pt 催化剂的载体来研究氢气和有机小分子的阳极氧化,因为这种复合催化剂在相对低的 Pt 载量下表现出与Pt 相似甚至更好的电催化活性。比如:Lamy 等人35曾报道 Pt 载量为 0.15 mgcm-2 的聚苯胺 (Pani)电极对 H2 的电催化活性与纯 Pt 相当。另外,利用导电聚合物作为 Pt 催化剂的载体可提高电极抗 CO
32、 毒化的性能 。比如:Napporn 研究小组36通过分析红外反射光谱发现分散在 Pani 载体上的 Pt 电极上的毒化效应比纯 Pt 电极上的毒化效应要小。关于这种抗毒化效应人们提出了几种解释:有的认为在 Pt 微粒上形成强吸附物种的可能性比较小37,有的则认为 Pt 微粒与导电聚合物基体之间相互作用减少了强化学吸附物种的形成38。聚苯胺是研究关于甲醇电催化氧化复合催化剂中常用的导电聚合物。聚苯胺是一种纤维状材料,具有高的粗糙度,可使催化剂高分散地分布在其表面。最近Lima 等 30研究了三元复合催化剂 Pani/Pt-Ru-X(X 代表Au、Co 、Cu 、Fe、Mo、 Ni、Sn 、W)
33、 对甲醇的电催化氧化性能的影响,结果发现Pani/Pt-Ru-Mo 在电位低于 500 mV(相对于可逆氢电极 )时对甲醇的氧化表现出最高的电催化活性,该复合催化剂在此电位范围内的甲醇氧化电流密度是 Pani/Pt-Ru 复合催化剂的 10 倍,而且在电位低于 550 mV 范围内稳定性较好。聚吡咯(Ppy)也是复合催化剂研究中所使用的一种导电聚合物。 Strike 等39利用 Ppy-Pt 复合催化剂研究了甲醇的电催化氧化过程,发现 Ppy-Pt 对甲醇的电催化氧化具有很高的活性,并且,与纯铂和镀铂的金电极相比表现出了更好的抗毒化能力。Ppy-Pt 复合催化剂对甲醇氧化的高活性可能来源于金属
34、和聚合物间的相互作用(阻止了强吸附化学物种的形成),也可能来源于导电聚合物膜对表面介体偶(Pt0/Pt2+)的稳定作用。最近 Bouzek 等人40研究了通过不同制备方法所获得的 Ppy-Pt 复合催化剂上甲醇的电氧化过程 ,并且对这些复合材料的催化活性进行了表征,结果发现利用 Pt 修饰的 Ppy 膜电极不仅对甲醇的电氧化具有很高的电催化活性,而且稳定性也比较好。4.4.2 酞菁和卟啉配合物卟啉和酞菁配合物可以作为甲醇在 Pt 电极上电氧化的助催化剂,因为它们自身存在许多氧化还原步骤并且被吸附的大环化合物在催化剂载体上具有一定的横向迁移率,这样,氧化还原物种在表面的扩散可促进氧化吸附在 Pt
35、 表面的 CO分子。文献中曾报道过 IrTPP(TPP:四苯基卟啉)和 RhTPP 对 CO 氧化的电催化活性的研究,但是关于过渡金属大环配合物对甲醇电催化氧化活性的研究相对比较少。Gotz 等发现当配合物 NiPCTSA(PCTSA:酞菁四磺酸 )和 CoPC(PC:酞菁)热解后其助催化性能明显增加。另外在氮气氛中热解过渡金属配合物后发现31Pt/NiPCTSA 表现出很好的甲醇电氧化活性(比 Pt 和 Pt-Ru 的电催化活性强)。4.4.3 非贵金属催化剂近几十年来,甲醇的电催化所使用的催化剂绝大多数是使用 Pt 基的合金, 但由于 Pt 等元素价格昂贵 , 资源匮乏, 使得 DMFC
36、的成本居高不下, 各国研究者一直在探索以非 Pt 系金属作为甲醇氧化的催化剂。从目前的研究情况看, 对非贵金属的研究主要有两类：即钙钛矿类氧化物和金属碳化物某些钙钛矿类氧化物与金属铂的复合材料在碱性介质中对甲醇的催化活性比较好,可以同时氧化 CO 和甲醇,因此其抗 CO 的中毒能力更强。含稀土元素的钙钛矿型 ABO3 氧化物导电性能较好,表面富氧,对甲醇及其中间产物的氧化有一定的活性,在 ABO3 氧化物中,A 为 Sr、Ce、Sm、 La 等, B 为 Co、Ni、Pb 、Ru等。5.甲醇对质子交换膜的渗透目前,DMFC 的商业化所面临的另一个重要问题是甲醇对质子交换膜的渗透。Wang 等4
37、1发现甲醇在氧气和合适的催化剂(比如 Pt)的作用下发生异相氧化, 从而在阴极产生混合电位,使阴极电位降低,并且阴极被从阳极渗透过来的甲醇所毒化。通过甲醇渗透对 DMFC 性能的影响研究42 表明甲醇渗透可产生大约 50 mAcm-2 的性能损失,其具体大小与操作条件有关系。Gottesfeld 等还发现甲醇通过 Nafion 117 膜的渗透 与电流密度有关系,当以 0.5 mol/L 甲醇作为燃料时在500 mAcm-2 的电流密度下几乎检测不到甲醇的渗透现象。这可能是由于在高电流密度下阴极产生大量的水阻止了甲醇的进一步渗透。为了减少由于甲醇渗透导致的阴极性能损失,目前有 两种解决方案:(
38、1)开发新的能减少甲醇渗透的聚合物电解质膜。最近 Jorissen 等43研究了聚芳基复合膜的性能,结果发现这种膜不仅具有很好的化学稳定性和热稳定性, 而且还具有很好的质子导电性和低的甲醇渗透特性。除了研究这种由酸碱聚合物混合而形成的复合膜外,人们对其它复合膜体系比如:含有磷酸锆、二氧化硅、沸石等无机物的复合膜和含有聚苯并咪唑(PBI) 和 Nafion 的复合膜也进行了大量的探索;(2)开发新的阴极催化剂,既不催化甲醇的异相氧化过程 ,同时其自身也不会受到甲醇的毒化。最近 Reeve 等44研究了一系列过渡金属硫化物的氧还原活性和甲醇容忍性,结果发现组成为 RhRu5.9-S4.7 的阴极催化剂不仅具有很好的氧还原活性 ,而且还具有良好的甲醇容忍性。为了解决甲醇对质子交换膜渗透的问题,人们除了对过渡金属硫化物进行过研究外,对大环配合物(包括其衍生物)、铂基合金和过渡金属氧化物也进行了大量的研究工作,并取得了一定的进展 ,我们有理由充分相信在不久的将来甲醇渗透问题可以得到彻底的解决。展 望DMFC 具有其它类型的燃料电池不可比拟的优点,高效、低温、紧凑,特别适合用作小型化电源或可移动电源,具有广阔的应用前景,但要真正实现商品化,必须实现两个突破：低温高效且价格低廉的催化剂，低甲醇渗透高质子传导率的
