山西煤化所燃料電池催化劑設計研究取得進展

直接甲醇燃料電池（DMFC）因其能量密度高，運輸、儲存方便，污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，設計構筑合適的催化劑載體是一種容易在不改變現有催化劑生產技術上，簡單有效實現規模化DMFC生產的方法。為此，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，中國科學院山西煤炭化學研究所童希立科研團隊在長期碳化硅研究基礎上，發現通過納米碳化硅載體支持，可以明顯減少Pt的使用量并保持活性（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）。

圖1 商業Pt/C、Pt/SiC和Pt/SiC-C的(a) 循環伏安圖和 (b)抗CO溶出圖

具體過程是采用CCl4干法腐蝕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，表現出優異的催化甲醇氧化（MOR）性能，同時發現隨著碳層的增厚，催化劑氧化甲醇的性能隨之明顯提高，抗CO中毒能力和穩定性等也得到大大改善。

DFT計算研究其反應機理表明（圖2），隨著表面碳層的增厚，催化劑Pt上CO的吸附能明顯減小，減緩了催化劑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，使獲得得到顯著提高。

圖2 碳化硅基體上Pt顆粒在不同厚度碳層上甲醇氧化機理示意圖