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直接乙醇燃料电池电催化剂的研究进展 摘要　:综述了直接乙醇燃料电池阳极催化剂的催化反应机理，介绍直接醇类电池阳极催化剂碳系载体的研究现状，乙醇电氧化的热力学过程及反应机理，并详细介绍铂系催化剂中单一金属催化剂、二元合金催化剂的研究现状，并对电催化剂的研究发展方向进行了展望。 关键词　直接乙醇燃料电池，阳极催化剂载体，碳系载体，电催化反应机理 Research progress of anode electrocatalysts for direct ethanol fuel cell Abstract: The catalytic reaction mechanism of anode electrocatalysts. Particularly，the research progress of Pt-based catalysts，including single metal，binary alloys，are introduced．The development directions of electrocatalysts in the future are prospected as well． Key words: direct ethanol fuel cell;anode catalyst carrier;carbon-based mechanism of electrocatalysts. 引言 随着世界能源危机问题的日益突出和对环境保 护的强烈需求，质子交换膜??料电池( PEMFC) 作为 一种无污染、高效的发电方式引起了人们的兴趣。 直接甲醇燃料电池( direct metha，nol fuel cell，DMFC) 作为 PEMFC 的一种，具有无污染、无噪音和能量转 化效率高等优点，但燃料甲醇沸点较低( 64. 5℃) 易产生有毒蒸气。相比较之下，直接乙醇燃料电池 ( direct ethanol fuel cell，DEFC) 中燃料乙醇无毒，可 由农作物发酵生成，发生的氧化反应与甲醇类似，并 且具有更高的能量密度( 8 kWh/kg 与 6. 1 kWh/kg)。同时 DEFC 燃料电池无污染、系 统简单、运行便捷，更为重要的是燃料供应系统可与 现有的加油站兼容，因此未来在小型便携式电子设 备和电动汽车等方面有很好的发展前景。 现阶段，DEFC 的功率密度仍然不及氢氧质子交换膜燃料电池或 DMFC 燃料电池，尚无法达到工业应用的水平。主要原因为乙醇氧化速率过慢、中间产物毒化金属催化剂和碳载体易受酸腐蚀等。更深入的原因为乙醇氧化反应涉及 C—H 和 C—C 键的断裂同时形成C =O 键，使得氧化反应实际机理比 较复杂;中间产物如Pt －OCH2CH3、Pt －CHOHCO3、( Pt)2 =COHCH3、Pt－COCH3和Pt=C= O 在低电势下难以继续氧化，吸附在催化剂表面使催化剂中毒从而降低DEFC性能。因此，开发高效的催化剂提高反应速率和催化效率成为一项具有挑战性的工作。 1 DEFC 阳极催化剂催化反应机理 直接乙醇燃料电池电解液分为酸性和碱性2 种。在酸性介质中乙醇的反应如下: 阳极反应: C2H5OH + 3H2→O2CO2+12H+ + 12e－E = 0. 087 V ( 1) 阴极反应: 3O2 + 12H+ + 12e →－6H2O E = 1. 229 V ( 2) 总反应: C2H5OH + 3O →2 2CO2 + 3H2O ΔE = 1. 142 V ( 3) 在乙醇的氧化机理研究中，对酸性介质下乙醇反应机理研究较多。乙醇电氧化过程中存在 Pt －CO、Pt －CO －CH3、Pt －OCH2 －CH3 等吸附物种。 相关研究者认为，乙醇燃料吸附在金属表面之后，所处的电极电位不同，发生的乙醇氧化反应也不同，如 这样，被吸附的乙醛可能会发生氧化生成乙酸， 反应为式( 4) : ( CH3CHO) ads + Pt －( OH) → ads ( CH3COOH) ads + Pt + H+ + e－ ( 4) 随着研究的深入，发现当乙醇浓度较高时，乙醇 氧化为乙醛而不需要额外的氧原子，使得乙醛成为 主要产物;乙醇浓度较低时，则含水量较高，有利于发生水的解离吸附，使乙酸和 CO2 成为主要产物。 在室温条件下，实现乙醇完全电催化氧化成 CO2 比较困难。反应过程中乙醇氧化的中间产物可 能吸附在 Pt 表面，发生式( 5) ～ 式( 7) 的反应。产生的中间产物易毒化催化剂。 Pt + CH3→CHO Pt－( COCH3) ads + H+ +－( 5) Pt + Pt －( COCH3) → ads Pt －( CO) ads + Pt －( CH3) ads