CeO2修饰的Pt/Ni催化剂在碱性溶液中对乙醇电催化氧化性能的增强

doi:10.1016/S1872-2067(16)62560-3

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (2): 305-312.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62560-3

CeO₂修饰的Pt/Ni催化剂在碱性溶液中对乙醇电催化氧化性能的增强

徐志花^a,b, 饶丽霞^b, 宋海燕^b, 严朝雄^a,b, 张利君^b, 杨水彬^b

a 江汉大学光电化学材料与器件教育部重点实验室及柔性显示材料与技术湖北省协同创新中心, 湖北武汉 430056;
b 黄冈师范学院催化材料制备及应用湖北省重点实验室, 湖北黄冈 438000

收稿日期:2016-08-29 修回日期:2016-09-22 出版日期:2017-02-18 发布日期:2017-03-14
通讯作者: Zhaoxiong Yan,Tel:+86-13720263625;E-mail:zhaoxiongyan75@163.com;Shuibin Yang,Tel:+86-13409708829;E-mail:yangshuibin@hgnu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（21307038，21577046）；教育部重点项目（212115）；黄冈师范学院物理化学实验改革项目（2015CK12）.

Enhanced ethanol electro-oxidation on CeO₂-modified Pt/Ni catalysts in alkaline solution

Zhihua Xu^a,b, Lixia Rao^b, Haiyan Song^b, Zhaoxiong Yan^a,b, Lijun Zhang^b, Shuibin Yang^b

a Key Laboratory of Optoelectronic Chemical Materials and Devices of Ministry of Education, and Flexible Display Materials and Technology Co-innovation Center of Hubei Province, Jianghan University, Wuhan 430056, Hubei, China;
b Hubei Key Laboratory for Processing and Application of Catalytic Materials, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, Hubei, China

Received:2016-08-29 Revised:2016-09-22 Online:2017-02-18 Published:2017-03-14
Contact: 10.1016/S1872-2067(16)62560-3
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21307038 and 21577046), Key Project of Chinese Ministry of Education (212115), and Physical Chemistry Experiment of Huanggang Normal University (2015CK12).

摘要/Abstract

摘要：

有机小分子直接燃料电池具有高能量密度和转换效率、易贮存及运输方便等优点.在过去几十年，有机小分子化合物尤其是乙醇的电催化氧化引起了研究者的关注，高活性和稳定性及低价格的电催化剂的设计和制备一直是乙醇燃料电池的研究热点.本文采用复合电沉积方法制备了Ni和CeO₂复合镀层，然后利用Ni置换铂前驱体中Pt的方法制备了纳米CeO₂修饰的Pt/Ni电催化剂（Pt/Ni-CeO₂）.采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）等手段表征了所制样品的组成和相结构、表面形貌及组成成份.
XRD结果表明，所制Pt/Ni催化剂主要是PtNi合金相结构.与Pt/Ni相比，Pt/Ni-CeO₂催化剂的XRD峰强明显变弱，表明纳米CeO₂修饰的Pt/Ni电催化剂的结晶性较差或者其晶体颗粒较小.这可能是由于CeO₂的共沉积阻止了Ni纳米颗粒的进一步生长或团聚.当电镀液中CeO₂含量为50和100 mg/L时，所制Pt/Ni-CeO₂催化剂样品Pt/NiCe1和Pt/NiCe2的XRD谱上未观察到CeO₂相关的衍射峰，这主要可归因于催化剂中沉积的CeO₂量少或其高度分散.随着电镀液中CeO₂浓度进一步增大到200 mg/L时，在Pt/Ni-CeO₂催化剂（Pt/NiCe4）的XRD谱上出现了CeO₂相关的衍射峰.这表明采用复合电沉积-化学还原法可以成功制备CeO₂修饰的Pt/Ni电催化剂.SEM结果显示，所制催化剂都是由团聚状态的纳米颗粒组成，并且Pt/NiCe₂表现出比Pt/Ni更开放的微结构，从而有利于反应物扩散至催化剂内部.该结果进一步表明共沉积的CeO₂对所制Pt/Ni催化剂微结构的影响.此外，EDS结果也证实成功制备了CeO₂修饰的Pt/Ni电催化剂.
采用多次循环伏安、电流时间曲线和电化学阻抗谱（EIS）等手段研究了所制电催化剂的电化学性能.与Pt/Ni相比，Pt/Ni-CeO₂催化剂表现出更好的电催化氧化乙醇活性和稳定性，这可能与CeO₂的贮氧特性及其共沉积增大了电极的粗糙度有关.红外光谱测试结果表明，在CeO₂修饰的Pt/Ni电催化剂催化氧化乙醇过程中，CH₃COO^-可能是乙醇氧化的主要产物.在所制催化剂中，CeO₂含量影响其电催化氧化乙醇性能.循环伏安和电流时间曲线测试结果表明，随着催化剂中CeO₂含量增大，催化剂活性先增加后减弱.电化学阻抗谱结果表明，随着CeO₂含量增大，CeO₂修饰的Pt/Ni电催化剂的接触电阻先增大后变小再变大；而电荷转移电阻不断变小.在电解液中含有100 mg/L CeO₂时所制电催化剂（Pt/NiCe₂）具有最佳的电催化氧化乙醇活性和稳定性.这主要与CeO₂的贮氧功能、Pt与CeO₂/Ni间的相互作用和其较小的接触电阻和电荷转移电阻有关.该结果可为设计和制备低价格、高活性乙醇燃料电池中的催化剂提供思路.

关键词: 直接乙醇燃料电池, 乙醇氧化, 纳米二氧化铈, 复合电沉积, 电催化剂

Abstract:

Pt/Ni catalysts modified with CeO₂ nanoparticles were prepared by simple composite electrodeposition of Ni and CeO₂, and spontaneous Ni partial replacement by Pt processes. The as-prepared CeO₂-modified Pt/Ni catalysts showed enhanced catalytic performance for ethanol electro-oxidation compared with pure Pt/Ni, and acetate species were proposed to be the main products of the oxidation when using these catalysts. The content of CeO₂ in the as-prepared catalysts influenced their catalytic activity, with Pt/NiCe₂ (obtained from an electrolyte containing 100 mg/L CeO₂ nanoparticles) exhibiting higher activity and relatively better stability in ethanol electro-oxidation. This was mainly due to the oxygen storage capacity of CeO₂, the interaction between Pt and CeO₂/Ni, and the relatively small contact and charge transfer resistances. The results of this work thus suggest that electrocatalysts with low price and high activity can be rationally designed and produced by a simple route for use in direct ethanol fuel cells.

Key words: Direct ethanol fuel cell, Ethanol oxidation, CeO₂ nanoparticle, Composite electrodeposition, Electrocatalyst

徐志花, 饶丽霞, 宋海燕, 严朝雄, 张利君, 杨水彬. CeO₂修饰的Pt/Ni催化剂在碱性溶液中对乙醇电催化氧化性能的增强[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 305-312.

Zhihua Xu, Lixia Rao, Haiyan Song, Zhaoxiong Yan, Lijun Zhang, Shuibin Yang. Enhanced ethanol electro-oxidation on CeO₂-modified Pt/Ni catalysts in alkaline solution[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 305-312.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(16)62560-3

https://www.cjcatal.com/CN/Y2017/V38/I2/305

参考文献

[1] N. A. M. Barakat, M. Motlak, A. A. Elzatahry, K. A. Khalil, E. A. M. Abdelghani, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 305-316.
[2] Z. H. Xu, J. G. Yu, G. Liu, Electrochem. Commun., 2011, 13, 1260-1236.
[3] A. Jablonski, A. Lewera, Chin. J. Catal., 2015, 36, 496-501.
[4] M. G. Hosseini, M. Abdolmaleki, S. Ashrafpoor, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1712-1719.
[5] X. Y. Lv, Z. H. Xu, Z. X. Yan, X. H. Li, Electrocatalysis, 2011, 2, 82-88.
[6] F. P. Hu, G. F. Cui, Z. D. Wei, P. K. Shen, Electrochem. Commun., 2008, 10, 1303-1306.
[7] F. P. Hu, C. L. Chen, Z. Y. Wang, G. Y. Wei, P. K. Shen, Electrochim. Acta, 2006, 52, 1087-1091.
[8] T. Lopes, E. Antolini, F. Colmati, E. R. Gonzalez, J. Power Sources, 2007, 164, 111-114.
[9] Z. H. Xu, J. G. Yu, M. Jaroniec, Appl. Catal. B, 2015, 163, 306-312.
[10] Z. H. Xu, J. G. Yu, J. X. Low, M. Jaroniec, ACS Appl. Mater. Inter-faces, 2014, 6, 2111-2117.
[11] S. H. Joo, J. Y. Park, C. K. Tsung, Y. Yamada, P. Yang, G. A. Somorjai, Nat. Mater., 2008, 8, 126-131.
[12] Z. X. Yan, Z. H. Xu, W. J. Zhang, S. F. Zhao, Y. Xu, Int. J. Electrochem. Sci., 2012, 7, 2938-2946.
[13] Z. H. Xu, J. G. Yu, Nanoscale, 2011, 3, 3138-3144.
[14] W. Zhou, Z. Zhou, S. Song, W. Li, G. Sun, P. Tsiakaras, Q. Xin, Appl. Catal. B, 2003, 46, 273-285.
[15] C. W. Xu, L. Q. Cheng, P. K. Shen, Y. L. Liu, Electrochem. Commun., 2007, 9, 997-1001.
[16] A. Kowal, M. Li, M. Shao, K. Sasaki, M. B. Vukmirovic, J. Zhang, N. S. Marinkovic, P. Liu, A. I. Frenkel, R. R. Adzic, Nat. Mater., 2009, 8, 325-330.
[17] M. K. Jeon, P. J. McGinn, J. Power Sources, 2009, 188, 427-432.
[18] T. Huang, J. L. Liu, R. S. Li, W. B. Cai, A. S. Yu, Electrochem. Commun., 2009, 11, 643-646.
[19] Q. G. He, W. Chen, S. Mukerjee, S. W. Chen, F. Laufek, J. Power Sources, 2009, 187, 298-304.
[20] H. L. Pang, J. P. Lu, J. H. Chen, C. T. Huang, B. Liu, X. H. Zhang, Elec-trochim. Acta, 2009, 54, 2610-2615.
[21] C. Lamy, E. M. Belgsir, J. M. Léger, J. Appl. Electrochem, 2001, 31, 799-809.
[22] C. Wang, J. X. Kang, L. L. Wang, T. W. Chen, J. Li, D. F. Zhang, L. Guo, Acta Phys. Chim. Sin, 2014, 30, 708-714.
[23] K. Q. Ding, Y. B. Zhao, L. K. Liu, Y. L. Cao, Q. F. Wang, H. B. Gu, X. R. Yan, Z. H. Guo, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 17622-17633.
[24] E. Antolini, J. R. C. Salgado, E. R. Gonzalez, J. Power Sources, 2006, 155, 161-166.
[25] Y. Zhao, E. Yifeng, L. Z. Fan, Y. F. Qiu, S. H. Yang, Electrochim. Acta, 2007, 52, 5873-5878.
[26] M. L. Wang, W. W. Liu, C. D. Huang, Int. J. Hydrogen Energy, 2009, 34, 2758-2764.
[27] K. Yao, Y. F. Cheng, Int. J. Hydrogen Energy, 2008, 33, 6681-6686.
[28] Y. J. Hu, P. Wu, H. Zhang, C. X. Cai, Electrochim. Acta, 2012, 85, 314-321.
[29] B. Habibi, E. Dadashpour, Electrochim. Acta, 2013, 88, 157-164.
[30] H. J. Kim, S. M. Choi, S. H. Nam, M. H. Seo, W. B. Kim, Catal. Today, 2009, 146, 9-14.
[31] Z. X. Yan, Z. H. Xu, J. G. Yu, M. Jaroniec, Appl. Catal. B, 2016, 199, 458-465.
[32] Z. H. Xu, J. G. Yu, G. Liu, B. Cheng, P. Zhou, X. Y. Li, Dalton Trans., 2013, 42, 10190-10197.
[33] W. B. Yue, W. Z. Zhou, J. Mater. Chem., 2007, 17, 4947-4952.
[34] Z. H. Xu, J. C. Hu, Z. X. Yan, S. B. Yang, J. Zhou, W. Lu, Electrochim. Acta, 2009, 54, 3548-3552.
[35] R. F. B. De Souza, A. E. A. Flausino, D. C. Rascio, R. T. S. Oliveira, E. Teixeira Neto, M. L. Calegaro, M. C. Santos, Appl. Catal. B, 2009, 91, 516-523.
[36] M. Takahashi, T. Mori, A. Vinu, H. Kobayashi, J. Drennan, D. R. Ou, J. Mater. Res., 2006, 21, 2314-2322.
[37] A. O. Neto, L. A. Farias, R. R. Dias, M. Brandalise, M. Linardi, E. V. Spinacé, Electrochem. Commun., 2008, 10, 1315-1317
[38] H. X. Qiao, Z. Q. Wei, H. Yang, L. Zhu, X. Y. Yan, J. Nanomater., 2009, 2009, 795928-795933.
[39] Z. X. Yan, Z. H. Xu, J. G. Yu, M. Jaroniec, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 6637-6644.
[40] S. C. S. Lai, S. E. F. Kleijn, F. T. Z. Oeztuerk, V. C. Van Rees Vellinga, J. Koning P. Rodriguez, M. T. M. Koper, Catal. Today, 2010, 154, 92-104.
[41] Y. Y. Yang, J. Ren, Q. X. Li, Z. Y. Zhou, S. G. Sun, W. B. Cai, ACS Catal., 2014, 4, 798-803.
[42] C. Yu, Z. X. Yan, L. H. Zhu, J. Wen, H. Q. Wang, Z. H. Xu, Electrocatalysis, 2016, 7, 193-200.
[43] J. S. Wang, J. Y. Xi, Y. X. Bai, Y. Shen, J. Sum, L. Q. Chen, W. F. Zhu, X. P. Qin, J. Power Sources, 2007, 164, 555-560.
[44] A. O. Liverira Neto, M. Linardi, D. M. Anjos, G. Tremiliosi-Filho, E. V. Spinacé, J. Appl. Electrochem., 2009, 39, 1153-1156.
[45] Y. X. Bai, J. J. Wu, X. P. Qin, J. Y. Yi, J. S. Wang, J. F. Li, W. T. Zhu, L. Q. Chen, Appl. Catal. B, 2007, 73, 144-149.
[46] D. J. Díaz, N. Greenletch, A. Solanki, A. Karakoti, S. Seal, Catal. Lett., 2007, 119, 319-326.
[47] Z. H. Xu, J. M. Wang, H. B. Shao, J. Q. Zhang, Chin. J. Chem. Eng., 2007, 15, 39-43.

CeO₂修饰的Pt/Ni催化剂在碱性溶液中对乙醇电催化氧化性能的增强

Enhanced ethanol electro-oxidation on CeO₂-modified Pt/Ni catalysts in alkaline solution

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	周波, 石建巧, 姜一民, 肖磊, 逯宇轩, 董帆, 陈晨, 王特华, 王双印, 邹雨芹. 强化脱氢动力学实现超低电池电压和大电流密度下抗坏血酸电氧化[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 372-380.
[2]	欧阳玲, 梁杰, 罗永嵩, 郑冬冬, 孙圣钧, 刘倩, Mohamed S. Hamdy, 孙旭平, 应斌武. 电催化合成氨的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 6-44.
[3]	李静静, 张锋伟, 詹新雨, 郭河芳, 张涵, 昝文艳, 孙振宇, 张献明. 酞菁镍分子结构的精确设计: 优化电子和空间效应用于CO₂电还原[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 117-126.
[4]	张文静, 李静, 魏子栋. 碳基氧还原电催化剂: 机理研究和多孔结构[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 15-31.
[5]	吴则星, 高玉肖, 王子璇, 肖卫平, 王新萍, 李彬, 李镇江, 刘晓斌, 马天翼, 王磊. 表面富集的超小铂纳米颗粒耦合缺陷磷化钴用于高效的电催化水分解和柔性锌空气电池[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 36-47.
[6]	刘小妮, 刘晓斌, 李彩霞, 杨波, 王磊. 缺陷工程在金属基电池中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 45(2): 27-87.
[7]	逯宇轩, 杨柳, 姜一民, 原甑然, 王双印, 邹雨芹. 局域静电环境工程用于增强电催化生物质转化过程中羟基活性[J]. 催化学报, 2023, 53(10): 153-160.
[8]	乔玉彦, 潘艳秋, 张江威, 王彬, 武婷婷, 范文俊, 曹雨程, Rashid Mehmood, 张飞, 章福祥. 多碳界面工程用于促进NiFe纳米复合电催化剂的产氧反应[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2354-2362.
[9]	崔彤, 翟雪君, 郭莉莉, 迟京起, 张昱, 朱家伟, 孙雪梅, 王磊. 自组装百合花状超低Ru, Ni掺杂的Fe₂O₃用于大电流碱性海水电解双功能电催化[J]. 催化学报, 2022, 43(8): 2202-2211.
[10]	钱秀, 魏艳娇, 孙梦洁, 韩野, 张晓俐, 田健, 邵敏华. 在Ti₃C₂T_x MXene上原位生长2D TiO₂纳米片的异质结构用于改善电催化氮气还原[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1937-1944.
[11]	王慧宁, 关安翔, 张俊波, 米玉莹, 李思, 袁涛涛, 静超, 张丽娟, 张林娟, 郑耿锋. 铜掺杂的羟基氧化镍用于高效电催化乙醇氧化[J]. 催化学报, 2022, 43(6): 1478-1484.
[12]	张利利, 蒋苏毓, 马炜, 周震. 铂基催化剂的氧还原反应路径调控[J]. 催化学报, 2022, 43(6): 1433-1443.
[13]	牛慧婷, 夏琛沣, 黄磊, Shahid Zaman, Thandavarayan Maiyalagan, 郭巍, 游波, 夏宝玉. 一维铂基纳米结构氧还原电催化剂的设计与合成[J]. 催化学报, 2022, 43(6): 1459-1472.
[14]	陈晨欣, 何苏祺, Kamran Dastafkan, 邹泽华, 汪庆祥, 赵川. 海胆状NiMoO₄纳米棒阵列作为高效双功能催化剂用于电催化及光伏驱动尿素电解[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1267-1276.
[15]	周波, 李梦雨, 李莹莹, 刘彦伯, 逯宇轩, 李巍, 吴雨洁, 霍甲, 王燕勇, 陶李, 王双印. Co诱导双位点协同效应实现高效肼电催化氧化[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 1131-1138.