科研进展 过程工程所开发出可使用髙浓度甲醇为燃料的直接甲醇燃 料电池选择性电催化剂 ■能源转化与环境净化材料课题组 直接甲醇燃料电池ΦMFC)是将甲醇氧氧化也使其利用率降低。此外,扩散过来的 化反应的化学能直接转化为电能的一种发电甲醇及其氧化的中间产物还会使阴极Pt催化 装置,其工作原理非常简单,主要由阴极、剂中毒,影响Pt对氧还原的催化活性。由于 阳极、质子交换膜及双极板等组成。工作时,甲醇渗透的存在,DMFC一般都使燃料甲醇 甲醇在阳极上被催化氧化为C02和H20,同浓度维持在4M以下。但要和目前市场上占 时产生6个电子和6个质子,其中质子经质主流的锂离子电池竞争,DMFC使用的甲醇 子交换膜由阳极到达阴极,在催化剂作用下浓度需提高到9M以上以有效提升电池的能 使阴极室的氧还原,生成H20。电子经外电量密度。传统的克服DMFC中甲醇渗透的策 路由阳极到达阴极,并通过外电路做功并构略包括改善燃料进料系统、提升质子膜性能、 成电回路。DMFC结构简单、方便灵活,工修饰电池电极结构和增加水管理系统等,这 作时间只取决于燃料携带量而不受限于电池些策略一定程度上确实改善了电池的操作性 的额定容量,近年来倍受产业界青睐。DMFC能,但无疑使电池的设计趋于复杂并增加了 在发电过程中,无需经过卡诺循环,具有能电池制造的成本。 量转化效率高,低排放和无噪音等优点,另 过程工程所多相复杂系统国家重点实验 外还具有常温使用、燃料携带补给方便、体室杨军硏究员课题组的硏究者们转换硏究思 积和重量比能量密度髙等优势,特别适合于路,从制备选择性催化剂的角度考虑克服 作为小型可移动及便携式电源,在国防、能DMFC中的甲醇渗透问题,以期降低或摆脱 源和通讯等领域有着潜在的广阔应用前景。对质子膜的依赖。选择性催化剂意味着在 目前制约DMFC商业化的一个主要障碍DMFC的阴极或阳极使用的催化材料只对阴 是“甲醇渗透问题”。这是因为,DMFC普遍极或阳极的反应有催化作用,对另一侧的反 使用的 N afion系列全氟磺酸型质子交换膜具应无活性或活性极低。他们在深刻理解 有较高的甲醇透过率,甲醇能够从阳极穿过DMFC中甲醇催化氧化和氧气催化还原机理 质子交换膜进入到阴极,而由于阴极一般使的基础上,设计贵金属基异质结构纳米材料 用Pt作催化剂,氧还原和甲醇氧化会同时发充分利用异质材料中的晶格应变效应和电子 生,因此产生“混合电位”,严重降低燃料的耦合效应调控材料的催化性能,不仅使材料 效率和电池的输出功率。而且甲醇在阴极的具有优良的催化活性,而且使材料对DMFC 中闽科学院过程工程研究所|5科研进展 5 科研进展 过程工程所开发出可使用高浓度甲醇为燃料的直接甲醇燃 料电池选择性电催化剂 ■能源转化与环境净化材料课题组 直接甲醇燃料电池(DMFC)是将甲醇氧 化反应的化学能直接转化为电能的一种发电 装置，其工作原理非常简单，主要由阴极、 阳极、质子交换膜及双极板等组成。工作时， 甲醇在阳极上被催化氧化为 CO2和 H2O，同 时产生 6 个电子和 6 个质子，其中质子经质 子交换膜由阳极到达阴极，在催化剂作用下 使阴极室的氧还原，生成 H2O。电子经外电 路由阳极到达阴极，并通过外电路做功并构 成电回路。DMFC 结构简单、方便灵活，工 作时间只取决于燃料携带量而不受限于电池 的额定容量，近年来倍受产业界青睐。DMFC 在发电过程中，无需经过卡诺循环，具有能 量转化效率高，低排放和无噪音等优点，另 外还具有常温使用、燃料携带补给方便、体 积和重量比能量密度高等优势，特别适合于 作为小型可移动及便携式电源，在国防、能 源和通讯等领域有着潜在的广阔应用前景。 目前制约DMFC商业化的一个主要障碍 是“甲醇渗透问题”。这是因为，DMFC 普遍 使用的 Nafion 系列全氟磺酸型质子交换膜具 有较高的甲醇透过率，甲醇能够从阳极穿过 质子交换膜进入到阴极，而由于阴极一般使 用 Pt 作催化剂，氧还原和甲醇氧化会同时发 生，因此产生“混合电位”，严重降低燃料的 效率和电池的输出功率。而且甲醇在阴极的 氧化也使其利用率降低。此外，扩散过来的 甲醇及其氧化的中间产物还会使阴极 Pt 催化 剂中毒，影响 Pt 对氧还原的催化活性。由于 甲醇渗透的存在，DMFC 一般都使燃料甲醇 浓度维持在 4 M 以下。但要和目前市场上占 主流的锂离子电池竞争，DMFC 使用的甲醇 浓度需提高到 9 M 以上以有效提升电池的能 量密度。传统的克服 DMFC 中甲醇渗透的策 略包括改善燃料进料系统、提升质子膜性能、 修饰电池电极结构和增加水管理系统等，这 些策略一定程度上确实改善了电池的操作性 能，但无疑使电池的设计趋于复杂并增加了 电池制造的成本。 过程工程所多相复杂系统国家重点实验 室杨军研究员课题组的研究者们转换研究思 路，从制备选择性催化剂的角度考虑克服 DMFC 中的甲醇渗透问题，以期降低或摆脱 对质子膜的依赖。选择性催化剂意味着在 DMFC 的阴极或阳极使用的催化材料只对阴 极或阳极的反应有催化作用，对另一侧的反 应无活性或活性极低。他们在深刻理解 DMFC 中甲醇催化氧化和氧气催化还原机理 的基础上，设计贵金属基异质结构纳米材料， 充分利用异质材料中的晶格应变效应和电子 耦合效应调控材料的催化性能，不仅使材料 具有优良的催化活性，而且使材料对 DMFC