活性炭对甲醇氧化反应的电催化

　　为了减少化石燃料的需求，迫切需要可持续和成熟的能源转换技术。为了让间歇性能源发电技术站稳脚跟，储能解决方案需要变得更好性能和经济可行性。我们使用镍基金属有机骨架及其与活性炭的复合材料作为甲醇氧化反应的催化材料，使用循环伏安法在三电极设置的玻璃碳电极上测试用于甲醇氧化的催化剂的电化学活性。

　　活性炭镍金属复合材料的合成

　　通过搅拌将对苯二甲酸溶解在100ml二甲基甲酰胺中。然后，在溶液中加入几滴三乙胺。然后将硝酸镍六水合物加入溶液中，并将所得溶液搅拌30分钟。将活性炭(10-60mg)加入溶液中并搅拌2小时。将制备的溶液倒入高压釜(特氟龙内衬)中，并在烘箱中在120℃下加热24小时。通过过滤收集合成的活性炭晶体，用二甲基甲酰胺反复洗涤以洗掉多余的有机物质，然后在80℃的真空烘箱中干燥。图1显示了活性炭复合材料的SEM图，SEM图像显示活性炭镍金属复合材料的平均直径为600nm的球形结构。也可以看到活性炭颗粒结合在镍金属骨架的球形结构之间。

　　图1：活性炭镍金属复合材料的SEM图像。

　　活性炭复合材料的电化学性能测试

　　通过在KOH和CH3OH中氧化甲醇，使用循环伏安法测试活性炭复合材料的电化学性能。具有活性炭复合材料的镍金属对甲醇氧化反应表现出更高的催化活性(见图2)。在镍金属改性玻璃碳电极的情况下，峰值电流密度没有添加活性炭的高。具有更高浓度活性炭(40mg)的样品显示出高峰值电流密度。随着活性炭量(60mg)的进一步增加，峰值电流密度降会稍微降低。综上所述，建议将活性炭的浓度增加到一定限度可以提高电流密度。然而，增加活性炭的浓度也可能对催化活性产生不良后果。此外，活性炭复合材料的CV曲线具有不同的形状和峰位置，这是因为合成时活性炭分散不完全，也由于其大量使用导致催化剂发生簇集，导致覆盖金属有机框架表面，从而阻碍活性催化位点在低电位下进行反应，从而在高电位下发生电荷转移。

　　图2：镍金属框架和复合活性炭在KOH和甲醇中的循环伏安图。

　　复合材料的稳定性

　　计时电流法用于确定在0.8V电位下制备的活性炭复合材料在KOH和甲醇溶液中具有类似电极设置的百分比稳定性，结果如图3所示。可以看出，反应开始后，电流值很快下降到特定值，这是由于形成了中间物质，如CO之后随着时间的推移，电流逐渐减小，直至3600秒后达到准静止状态。这可能是因为在反应开始时甲醇覆盖在催化位点上，但随着反应的进行，在催化位点表面形成了甲醇平衡层，这会减慢整个过程，一氧化碳的形成会影响所有制备的稳定性电催化剂。在所有制备的复合材料中，活性炭含量40的镍金属复合材料根据其高电流密度在3600秒的设定时间内显示出优异的百分比稳定性。

　　图3：金属框架及其复合活性炭在KOH和甲醇中的相对稳定性曲线。

　　活性炭对甲醇氧化反应的电催化研究，镍金属框架及活性炭复合材料是通过成本较低且对环境有利的水热法生产的。对合成的材料进行了电催化甲醇氧化反应测试。活性炭含量40的复合材料表现出较好性能，电流密度比较高还具有更低的过电位值和更高的稳定性。镍金属骨架与活性炭的非贵金属复合材料使其成为一种价格低廉但在甲醇氧化电催化剂领域与铂催化剂竞争的潜在候选者。高电流密度和低成本使其成为各种燃料电池应用中现有电催化剂的有前途的替代品。