活性炭對甲醇氧化反應的電催化

　　為了減少化石燃料的需求，迫切需要可持續(xù)和成熟的能源轉換技術。為了讓間歇性能源發(fā)電技術站穩(wěn)腳跟，儲能解決方案需要變得更好性能和經濟可行性。我們使用鎳基金屬有機骨架及其與活性炭的復合材料作為甲醇氧化反應的催化材料，使用循環(huán)伏安法在三電極設置的玻璃碳電極上測試用于甲醇氧化的催化劑的電化學活性。

　　活性炭鎳金屬復合材料的合成

　　通過攪拌將對苯二甲酸溶解在100ml二甲基甲酰胺中。然后，在溶液中加入幾滴三乙胺。然后將硝酸鎳六水合物加入溶液中，并將所得溶液攪拌30分鐘。將活性炭(10-60mg)加入溶液中并攪拌2小時。將制備的溶液倒入高壓釜(特氟龍內襯)中，并在烘箱中在120℃下加熱24小時。通過過濾收集合成的活性炭晶體，用二甲基甲酰胺反復洗滌以洗掉多余的有機物質，然后在80℃的真空烘箱中干燥。圖1顯示了活性炭復合材料的SEM圖，SEM圖像顯示活性炭鎳金屬復合材料的平均直徑為600nm的球形結構。也可以看到活性炭顆粒結合在鎳金屬骨架的球形結構之間。

　　圖1：活性炭鎳金屬復合材料的SEM圖像。

　　活性炭復合材料的電化學性能測試

　　通過在KOH和CH3OH中氧化甲醇，使用循環(huán)伏安法測試活性炭復合材料的電化學性能。具有活性炭復合材料的鎳金屬對甲醇氧化反應表現(xiàn)出更高的催化活性(見圖2)。在鎳金屬改性玻璃碳電極的情況下，峰值電流密度沒有添加活性炭的高。具有更高濃度活性炭(40mg)的樣品顯示出高峰值電流密度。隨著活性炭量(60mg)的進一步增加，峰值電流密度降會稍微降低。綜上所述，建議將活性炭的濃度增加到一定限度可以提高電流密度。然而，增加活性炭的濃度也可能對催化活性產生不良后果。此外，活性炭復合材料的CV曲線具有不同的形狀和峰位置，這是因為合成時活性炭分散不完全，也由于其大量使用導致催化劑發(fā)生簇集，導致覆蓋金屬有機框架表面，從而阻礙活性催化位點在低電位下進行反應，從而在高電位下發(fā)生電荷轉移。

　　圖2：鎳金屬框架和復合活性炭在KOH和甲醇中的循環(huán)伏安圖。

　　復合材料的穩(wěn)定性

　　計時電流法用于確定在0.8V電位下制備的活性炭復合材料在KOH和甲醇溶液中具有類似電極設置的百分比穩(wěn)定性，結果如圖3所示。可以看出，反應開始后，電流值很快下降到特定值，這是由于形成了中間物質，如CO之后隨著時間的推移，電流逐漸減小，直至3600秒后達到準靜止狀態(tài)。這可能是因為在反應開始時甲醇覆蓋在催化位點上，但隨著反應的進行，在催化位點表面形成了甲醇平衡層，這會減慢整個過程，一氧化碳的形成會影響所有制備的穩(wěn)定性電催化劑。在所有制備的復合材料中，活性炭含量40的鎳金屬復合材料根據(jù)其高電流密度在3600秒的設定時間內顯示出優(yōu)異的百分比穩(wěn)定性。

　　圖3：金屬框架及其復合活性炭在KOH和甲醇中的相對穩(wěn)定性曲線。

　　活性炭對甲醇氧化反應的電催化研究，鎳金屬框架及活性炭復合材料是通過成本較低且對環(huán)境有利的水熱法生產的。對合成的材料進行了電催化甲醇氧化反應測試。活性炭含量40的復合材料表現(xiàn)出較好性能，電流密度比較高還具有更低的過電位值和更高的穩(wěn)定性。鎳金屬骨架與活性炭的非貴金屬復合材料使其成為一種價格低廉但在甲醇氧化電催化劑領域與鉑催化劑競爭的潛在候選者。高電流密度和低成本使其成為各種燃料電池應用中現(xiàn)有電催化劑的有前途的替代品。

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