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质子交换膜燃料电池催化剂性能增强方法研究进展

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化工进展 2016年第9期35卷 2629-2639页

作者：魏子栋重庆大学化学化工学院

发展低成本、高性能的燃料电池催化剂是实现燃料电池商业化的关键。目前,铂基催化剂仍是动力燃料电池不可替代的主催化剂。本文综述了最近几年燃料电池催化剂增强方面的研究进展,探讨了新型催化剂材料的设计与制备以及提高催化剂活性或... 详细信息

发展低成本、高性能的燃料电池催化剂是实现燃料电池商业化的关键。目前,铂基催化剂仍是动力燃料电池不可替代的主催化剂。本文综述了最近几年燃料电池催化剂增强方面的研究进展,探讨了新型催化剂材料的设计与制备以及提高催化剂活性或稳定性的方法,包括表面修饰、包覆、合金化、几何与电子结构以及晶体结构的调变、催化剂/载体相互作用等手段。开发高活性和高稳定性的非铂类催化剂是燃料电池催化剂的发展趋势和努力方向。其中,提高非铂燃料电池催化剂可靠性、稳定性和活性,迫切需要在燃料电催化理论、非铂催化剂理性设计、燃料电池水热管理、有序化膜电极等方面取得创新和突破。

关键词：燃料电池催化剂催化活性稳定性

磷酸型燃料电池空气电极催化反应层数学模型与数值分析

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高等学校化学学报 1996年第11期17卷 1760-1763页

作者：魏子栋郭鹤桐唐致远山东工业大学化学工程系天津大学应用化学系

从描述多组分气体在多孔介质中传质的Ｓｔｅｎｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发，结合磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ）空气电极过程的自身特点及ＰＡＦＣ中Ｏ２还原过程的最新成果，建立了描述ＰＡＦＣ空气电极催化反应层中组分传质、反应速... 详细信息

从描述多组分气体在多孔介质中传质的Ｓｔｅｎｆａｎ－Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发，结合磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ）空气电极过程的自身特点及ＰＡＦＣ中Ｏ２还原过程的最新成果，建立了描述ＰＡＦＣ空气电极催化反应层中组分传质、反应速度和电位分布的数学模型，并对模型中引入的主要参数提出了估算的方法。氧还原过程的电位－电流曲线与实际测量曲线吻合。

关键词：燃料电池空气电极数学模型氧还原

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非贵金属氧还原催化剂的研究进展

物理化学学报 2017年第5期33卷 886-902页

作者：王俊魏子栋重庆大学化学化工学院重庆400044

开发可替代铂的非贵金属催化剂是今后燃料电池催化剂的重要发展方向,本文结合课题组研究的工作,总结了近年来非贵金属在氧还原催化方面的研究进展。并着重从材料合成和机理两个方面分析了目前在开发过渡金属氧化物、含过渡金属的氮掺杂... 详细信息

开发可替代铂的非贵金属催化剂是今后燃料电池催化剂的重要发展方向,本文结合课题组研究的工作,总结了近年来非贵金属在氧还原催化方面的研究进展。并着重从材料合成和机理两个方面分析了目前在开发过渡金属氧化物、含过渡金属的氮掺杂碳材料和杂原子掺碳材料中存在的问题,提出了这些非金属催化剂今后的研究重点和努力方向。

关键词：氧还原反应燃料电池非贵金属催化剂过渡金属氧化物金属氮碳(M-N-C) 杂原子掺碳

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高性能电解水电极催化材料的设计及产品工程

化学进展 2018年第1期30卷 14-28页

作者：彭立山魏子栋重庆大学化学化工学院新能源化工实验室重庆400044

随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向精确定制符合需求的化学品成为化学工程研究发展的探索新方向。电解水制氢是生产高纯氢气并转换储存大规模可再生能源的一种有效方法。为实现高效的电-氢气转换效率,高性能的电解水析氢析氧电极是... 详细信息

随着市场竞争的加剧,以产品需求为导向精确定制符合需求的化学品成为化学工程研究发展的探索新方向。电解水制氢是生产高纯氢气并转换储存大规模可再生能源的一种有效方法。为实现高效的电-氢气转换效率,高性能的电解水析氢析氧电极是必不可少的。电解水电极材料具有复杂的化学组成及多层次的结构,其中电极表面催化材料的物理化学性质和形貌结构是决定电解水性能的最主要因素。本文结合本课题组在电解水催化方面的研究工作,综述了近几年国内外电解水电极催化材料的最新研究进展,阐述了电解水电极催化材料以反应机理为导向的催化剂设计理论、以产品性能为导向的催化剂设计方法学(包括纳米结构构筑、晶面调控、载体复合、晶相调节、杂原子掺杂、合金化和聚合物表面修饰)及应用,针对化学产品工程的发展与需要,介绍了电解水电极催化材料跨越分子尺度、微纳结构及合成应用的产品设计和产品工程研究的关键科学问题和发展方向。

关键词：氢能电解水催化材料结构设计产品工程

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超低铂用量质子交换膜燃料电池

物理化学学报 2021年第9期37卷 79-101页

作者：王健丁炜魏子栋重庆大学化学化工学院清洁能源与资源利用化学过程重庆市重点实验室

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种清洁、高效的能源转换装置,被认为是未来能源转换的重要技术之一,是取代现有汽车内燃机的重要途径之一。目前,PEMFCs广泛使用铂基电催化剂,电堆组装的技术水平已降低到0.2 g·kW。然而,按照汽车行业... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种清洁、高效的能源转换装置,被认为是未来能源转换的重要技术之一,是取代现有汽车内燃机的重要途径之一。目前,PEMFCs广泛使用铂基电催化剂,电堆组装的技术水平已降低到0.2 g·kW。然而,按照汽车行业铂全球用量(约90 t铂,生产9500万辆),大规模应用需要将系统铂用量将至0.01 g·kW,挑战巨大。实现铂利用率数量级的提升,当前研究主要集中在开发高活性、高利用率、高稳定的、抗溺水的新型铂基催化剂;开发高透氧率、疏水性新型离聚物,制备超薄质子膜;合理设计高传质性能、高利用率的催化层。本文主要针对上述的问题进行了综述,分析了其催化活性增强的机理,讨论了膜电极组成设计和影响因素。

关键词：质子交换膜燃料电池铂基催化剂质子膜催化层

不同氮掺杂石墨烯氧还原反应活性的密度泛函理论研究

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物理化学学报 2016年第1期32卷 321-328页

作者：王俊李莉魏子栋重庆大学化学化工学院输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044

N掺杂石墨烯作为一种具有较高活性和稳定性的氧还原反应(ORR)催化剂,受到人们的广泛关注。然而不同的N掺杂类型对氧还原活性的影响一直存在争议。本文通过密度泛函理论分别对石墨型和吡啶型两种N掺杂石墨烯的ORR活性进行比较研究。能带... 详细信息

N掺杂石墨烯作为一种具有较高活性和稳定性的氧还原反应(ORR)催化剂,受到人们的广泛关注。然而不同的N掺杂类型对氧还原活性的影响一直存在争议。本文通过密度泛函理论分别对石墨型和吡啶型两种N掺杂石墨烯的ORR活性进行比较研究。能带结构分析表明,石墨氮掺杂石墨烯(GNG)的导电性随掺N量的增加而降低;吡啶氮掺杂石墨烯(PNG)的导电性则随掺N量的增加先提高后降低。当N掺杂浓度达到4.2%(原子分数)时,PNG具有最优导电性。且当N掺杂浓度大于1.4%时,PNG的导电率总是高于GNG。氧还原自由能阶梯曲线发现O_2的质子化是整个氧还原过程的潜在控制步骤。在同等氮掺杂浓度下,O_2的质子化自由能能变在GNG上低于在PNG上,意味着若在同等电子传输能力的情况下,GNG具有比PNG更优异的催化活性。进一步分析发现:当N掺杂浓度在低于2.8%时,GNG和PNG导电性差异小,其催化ORR活性由O_2质子化反应难易程度决定,GNG的催化活性优于PNG;当N掺杂浓度高于2.8%时,氮掺杂石墨烯的电子传输性能(导电性)成为决定催化剂ORR活性的主要因素,因此PNG表现出较GNG更高的活性。

关键词：氧还原反应氮掺杂石墨烯吡啶氮石墨氮密度泛函理论

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质子交换膜燃料电池非铂电催化剂研究进展

化工学报 2015年第9期66卷 3305-3318页

作者：聂瑶丁炜魏子栋重庆大学化学化工学院重庆400044

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)目前主要催化剂为贵金属Pt基催化剂。然而,Pt价格高、储量低等问题严重阻碍了PEMFCs的商业化进程。发展低成本、高性能的氧还原催化剂是解决铂资源短缺、降低燃料电池成本、实现燃料电池商业化的关键。结合... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)目前主要催化剂为贵金属Pt基催化剂。然而,Pt价格高、储量低等问题严重阻碍了PEMFCs的商业化进程。发展低成本、高性能的氧还原催化剂是解决铂资源短缺、降低燃料电池成本、实现燃料电池商业化的关键。结合本课题组的研究工作,综述了最近几年非铂催化剂在燃料电池阴极氧还原方面的研究进展,着重探讨了新型氮掺杂碳基纳米材料的设计与制备,并概述了非铂催化剂面临的困难以及未来发展方向。

关键词：质子交换膜燃料电池氧还原反应非铂催化剂

PAFC空气电极气体扩散层数学模型与数值分析

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物理化学学报 1996年第11期12卷 1022-1026页

作者：魏子栋郭鹤桐唐致远山东工业大学化学工程系济南250061 天津大学应用化学系天津300072

A mathematic model is used to describe the mass transfer of mulfticomponents [O2, H2O(g), N2] in the gas diffusion layer of air electrodes of phosphoric acid fuel cells (PAFC). A program of solving this mathematic model is designed with FORTRAN77. The main factors effecting the efficiency of mass transfer in gas diffusion layer are predicted by means of the numberical analysis of the proposed model. The range of these fartors allowed to change is also determined.

关键词：燃料电池空气电极传质数学模型气体扩散

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碳基氧还原电催化剂:机理研究和多孔结构

Chinese Journal of Catalysis 2023年第5期48卷 15-31页

作者：张文静李静魏子栋重庆大学化学化工学院重庆401331

由于快速增长的能源需求和日益紧迫的环境问题,清洁和可再生能源的开发受到全球范围的高度关注.质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接把燃料所具有的化学能转换为电能,具有转化效率高、环境污染小和比能量高等优点,广泛应用于汽车、飞机... 详细信息

由于快速增长的能源需求和日益紧迫的环境问题,清洁和可再生能源的开发受到全球范围的高度关注.质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接把燃料所具有的化学能转换为电能,具有转化效率高、环境污染小和比能量高等优点,广泛应用于汽车、飞机等交通工具以及固定电站等领域.PEMFC中阴极侧的氧还原反应(ORR),由于多重质子-电子转移和固有的缓慢动力学,是影响燃料电池整体效率的重要因素.Pt基催化剂由于能够提供较好的催化性能而被认为是较好的阴极材料.然而,广泛使用的Pt基催化剂因成本较高和资源短缺等问题严重阻碍了PEMFC的大规模应用.因此,设计开发非贵金属阴极催化剂对于降低催化剂的成本十分必要.其中,碳基催化剂因具有较好的导电性和化学稳定性,已经成为ORR领域中贵金属催化剂强有力的替代品之一.本文从碳基催化剂的活性位点和孔道结构出发,系统总结和讨论了提高催化剂活性、稳定性和抗中毒性能等方面的研究进展.首先,简单介绍了ORR反应的机理以及碳基催化剂在反应过程中存在的主要问题,即本征活性低,活性位密度低,体积密度小以及稳定性差等.然后,针对以上问题,提出了构筑高活性和高稳定性碳基催化剂的策略.在碳载体中掺杂适量的杂原子和金属原子有助于构建具有高本征活性的催化位点,将金属纳米颗粒设计成原子级和超小纳米团簇有助于增加活性位点的数目.对于目前使用最广泛的Fe-N-C催化剂,从理论上解释了其在酸性介质中活性位点极易失活的主要原因,提出制备具有优异稳定性ORR催化剂的解决方案.孔道结构作为催化剂微观结构的重要组成部分,对活性位点的分布和传质具有十分重要的影响.从合成策略和不同孔径大小对ORR性能影响的两个角度出发,具体论述了现有文献中所报道的制备微孔、介孔和大孔三种孔道结构的方法,同时详细讨论了三种孔结构在ORR中的作用.最后,基于活性位点的设计和多孔结构的构建,对设计和制备高效碳基电催化剂进行了总结,展望了碳基催化剂未来的发展和研究思路.

关键词：碳基催化剂氧还原反应活性位点多孔结构电催化剂