直接甲醇燃料电池阳极新型纳米电催化剂基本信息

探索研究抗CO中毒、催化甲醇电化学氧化活性高、成本相对低廉的直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极新型纳米电催化剂。探讨新型电催化剂的组成-制备-结构-性能-机理间的关系，特别研究电催化剂的结构与微结构（如几何构型和电子状态等）对抗CO中毒及催化甲醇电化学氧化性能的影响，从而阐明反应物在催化剂上形成吸附键的强弱、作用机制及催化动力学性能。目的是为获得高效、长寿命、廉价的DMFC阳极新型纳米电催化剂提供理 2100433B

原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）是一种先进的薄膜沉积技术。利用ALD的技术特点和优势，可设计合成新型高效纳米催化剂，并可精确地调控催化剂的表界面结构。中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室研究员覃勇带领的研究团队，利用ALD技术设计制备出一种多重限域的Ni基加氢催化剂。与未限域的催化剂相比，多重限域的Ni基催化剂对于肉桂醛以及硝基苯的加氢催化反应的活性、稳定性得到显著的提高。相关工作近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

该方法具有普适性，可以用来合成其他体系的限域催化剂，用于催化不同的反应，为未来高效纳米催化剂的设计提供了重要的科学参考。

金属—氧化物载体的界面结构强烈影响多相催化剂的性能。精确地设计、调控界面结构，对于新型高效催化剂的制备非常重要。该研究团队利用ALD技术，以碳纳米螺旋或者碳纳米管为模板，在模板表面首先沉积NiO纳米粒子，然后再沉积Al₂O₃纳米薄膜，经过煅烧、还原处理后，得到氧化铝纳米管（ANT）包覆的Ni催化剂（Ni-in-ANTs）。这样的途径使得Ni粒子不仅被限域在氧化铝纳米管中，还被嵌在氧化铝纳米管内壁的凹坑中，称之为多重限域。改变NiO纳米粒子和Al₂O₃纳米薄膜的沉积顺序，经过煅烧、还原处理，制备出Ni粒子负载在纳米管外壁的未限域催化剂（Ni-out-ANTs）。大量的表征结果证明，二者具有相同的Ni含量、Ni纳米粒子尺寸、氧化铝纳米管管壁厚度、孔道结构以及Ni还原度。然而，对于肉桂醛以及硝基苯催化加氢反应，Ni基多重限域催化剂的活性远远高于未限域的催化剂。这是由于限域催化剂中的Ni粒子被限域在氧化铝纳米管内壁的凹坑中，具有了更多的Ni-Al₂O₃界面位点，其金属-载体之间的相互作用更强，促进了氢溢流现象，从而提高了催化剂的加氢反应活性。另外，氧化铝纳米管可以保护限域在其中的Ni粒子，阻止其在反应中脱落、溶释，使得多重限域催化剂比未限域的催化剂具有更好的循环使用稳定性。