燃料电池催化剂---碳纳米管

碳纳米管材料的性能及其应用范围摘要：碳纳米管作为一种新型半导体材料在制作纳米级电子元器件中有着广泛的应用。

根据结构的不同，碳纳米管有金属型和半导体型两种，人们以半导体型碳纳米管制备了碳纳米管场效应晶体管，取得了良好的效果。

碳纳米管导热性是铜的5倍；它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；其导电性根据结构的不同而异，可以是导体、绝缘体、半导体，甚至可以仅次于超导体。

关键词：碳纳米；性能及其应用范围一、碳纳米管材料的性能1.1力学性能碳纳米管由C-C共价键结合而成，同时又具有管径小、长径比大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能，其杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，理论强度是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。

据报道[3]，在纳米碳管的拉伸过程中，当应力超过弹性变形以后，纳米碳管会通过较为特殊的塑性变形来改变形状以消除外来应力，即通过纳米碳管管壁的相邻两个六边形网格向成对的五边形和七边形转变（如图）。

纳米碳管不仅具有很高的强度，而且具有良好的塑性。

在透射电子显微镜观察中，还可以发现具有很大弯曲程度的纳米碳管，尽管在其截面上发生了极大的扭曲变形但仍然未发生断裂，主要原因就是纳米碳管通过其管壁外侧的拉伸和内侧的压缩塌陷甚至折叠来消除外来应力。

碳纳米管通过这种网格的結构变化来释放应力，不仅可以发生弹性变形而且可以发生一定的塑性变形，同时保持相当的强度而不断裂。

这种特性使之特别适宜作为复合材料，特别是聚合物基复合材料的增强相。

碳纳米管可以使镁基复合材料的微观组织晶粒得到细化，还可使力学性能也有所提高。

但当碳纳米管的加入量大于1%时，复合材料的抗拉强度随碳纳米管加入的增多而降低，有人认为这是由于过多的碳纳米管发生偏聚导致的。

1.2电学性能碳纳米管根据螺旋型构造和直径的不同，可以分为金属型和半导体型。

据报道，随机取向的宏观试样电导率近似103s/m，球状的非定向电导率大约50s/m。

碳纳米材料的应用前景随着科技的不断进步和需求的不断增长，人们对材料的性能和功能的要求也越来越高。

碳纳米材料作为一种颇具前景的新型材料，其应用前景十分广阔。

本文将从碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯三个方面来探讨碳纳米材料的应用前景。

1.碳纳米管碳纳米管是由碳原子构成的空心圆柱结构，其直径只有纳米级别，长度则可以达到数十微米，因此具有很强的机械性能和电学特性。

在纳米科技领域中，碳纳米管可以作为通道来传输电子和分子，具有电子学和扫描探针显微镜等制备方法的独特性质。

在能源、储存、导电等领域，碳纳米管也有着广泛的应用前景。

比如，在能量储存领域，碳纳米管被广泛应用于锂离子电池等电能存储系统中。

由于其高比表面积和良好的电导率，碳纳米管可以大大提高电池的能量密度和功率密度，从而提高电池的性能。

同时，碳纳米管也可以作为质子交换膜燃料电池的催化剂支撑体，以提高其效率和稳定性。

2.碳纳米纤维碳纳米纤维是碳纳米管的一种，但它是通过纤维化方法制备而成，具有更高的力学强度和更低的密度。

碳纳米纤维不仅可以用于增强复合材料中，还可以应用于电磁干扰屏蔽和导电材料等领域。

在增强复合材料领域中，碳纳米纤维一方面可以增强基体的力学性能，提高其强度和刚度，另一方面也可以渗透到基体内部形成导电路径，提高材料的导电性能。

此外，碳纳米纤维还可以用于高强度电缆的制备，以提高电缆的拉伸强度和断裂韧度。

3.石墨烯石墨烯是一种由碳原子组成的单层平面晶体结构，厚度只有一个碳原子层的纳米材料。

其在电学、光学、力学等领域的性能表现出色，是目前最为热门的碳纳米材料之一。

在电子学领域，石墨烯可以作为新型光电传感器、晶体管和基于量子点的荧光材料等器件的材料，具有重要的应用前景。

同时，石墨烯还可以作为新型薄膜太阳电池的电极材料，以提高光电转换效率和稳定性。

此外，在医学和环境领域，石墨烯也有着广泛的应用前景。

其中，在生物医学领域，石墨烯可以作为药物输送和光学成像等方面的材料；在环境领域，石墨烯可以作为新型吸附材料，用于水和大气污染的处理。

直接甲醇燃料电池催化剂性能测试直接甲醇燃料电池催化剂主要以Pt 系催化剂为主，再加以单壁碳纳米管为催化剂载体，催化剂有效分散，催化性能提高。

循环伏安法曲线正向扫描的峰电流密度可直接反映甲醇的氧化量及催化剂的电催化活性。

本实验主要针对直接甲醇燃料电池催化剂材料对甲醇氧化的的循环伏安曲线进行测试，了解直接甲醇燃料电池的工作原理及工作特性。

一、实验目的和要求：1.掌握用循环伏安法测定直接甲醇燃料电池催化性能的方法。

2.了解直接甲醇燃料电池的工作原理。

3.了解CHI 电化学工作站的设定方法。

二、测定原理：在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的变化速度扫描，当达到某设定的终止电位时，再反向回归至某一设定的起始电位，循环伏安法电位与时间的关系（见图a ）。

若电极反应为O ＋e ⇔R ，反应前溶液中只含有反应粒子O ，且O 、R 在溶液均可溶，控制扫描起始电势从比体系标准平衡电势正得多的起始电势ϕi 处开始势作正向电扫描，电流响应曲线则如图b 所示。

当电极电势逐渐负移到ϕ平0附近时，O 开始在电极上还原，并有法拉第电流通过。

由于电势越来越负，电极表面反应物O 的浓度逐渐下降，因此向电极表面的流量和电流就增加。

当O 的表面浓度下降到近于零，电流也增加到最大值Ipc ，然后电流逐渐下降。

当电势达到ϕr 后，又改为反向扫描。

随着电极电势逐渐变正，电极附近可氧化的R 粒子的浓度较大，在电势接近并通过ϕ平0时，表面上的电化学平衡应当向着越来越有利于生成R的方向发展。

于是R开始被氧化，并且电流增大到峰值氧化电流Ipa，随后又由于R的显著消耗而引起电流衰降。

整个曲线称为“循环伏安曲线”。

三、仪器药品：电化学工作站一台玻碳工作电极一根Ag/AgCl参比电极一根铂丝电极一根高纯氮气Nafion 117溶液浓硫酸甲醇乙醇四、实验步骤：1. 取制备好的催化剂材料3.8mg分散到1mL乙醇中超声30min。

2. 取催化剂材料的乙醇分散液30μL滴涂到玻碳工作电极表面，静置15min干燥后，再其表面滴涂Nafion117溶液10μL，静置15min干燥，待用。

什么是燃料电池Fuel Cells把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

燃料电池燃料电池的主要分类有：质子交换膜燃料电池（PEMFC）磷酸燃料电池（PAFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）碱性燃料电池（AFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。

其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。

不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。

而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。

因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。

电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。

原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

燃料电池具有如下特点：高能量密度高效率较低成本可控制排放催化剂载体—碳纳米管CNT使用多壁碳纳米管用以制备燃料电池中二氧化钛的加强催化剂。

电化学活性面积(ECSA)对比：UT-TiO2：285.5 m2/gPt-C：153.4 m2/gPt-MWCNT：188.2 m2/g这种催化剂还可以在碳纳米管表面通过还原法形成-OH和-COOH基团，从而提高其催化活性。

TiO2壳层还可以保护催化剂免受碳腐蚀，有效提高材料的耐用性，并提高Pt在表面上的沉积。

催化剂载体—碳纳米管CNT此外，在燃料电池中还常常使用碳纳米管作为氮元素和钴元素的催化剂载体。

这样的复合催化剂具有如下性质：高电流密度N-CNTs：3.00 mA/cmSiO2胶体悬浮液：2.69 mA/cm无催化剂的样品：0.53 mA/cm均匀的多孔结构有助于提高催化剂的均匀性、稳定性高比表面积提高电子聚集度，加强催化活性催化剂载体—碳纳米管CNTMWCNTs上制造Ni-Pd纳米催化剂的示意图上述是利用多壁碳纳米管制备Ni-Pd纳米催化剂的方法，这种催化剂主要用于直接乙醇燃料电池，是一种极为环境友好的燃料电池。

碳基材料在电催化中的应用随着能源需求的不断增加和环境问题的日益严峻，研究新型高效电催化材料成为了当今科技研究的热点之一。

碳基材料因其良好的导电性、可调控的孔隙结构以及优异的催化活性而备受关注。

本文将介绍碳基材料在电催化领域中的应用，并探讨其在能源转化和环境治理等方面的潜力。

1. 碳基材料简介碳基材料是以碳为主要构成成分的材料，包括石墨烯、碳纳米管、多孔碳等。

这些材料具有高电导性、优异的机械性能和化学稳定性等特点。

2. 碳基材料在燃料电池中的应用燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的器件。

碳基材料作为燃料电池的关键组成部分，可作为催化剂载体或阴极材料。

其中，石墨烯和碳纳米管因其高比表面积和优异的电子传导性能而成为理想的催化剂载体，能够提高燃料电池的催化活性和稳定性。

此外，碳基材料还可用于构建燃料电池的气体扩散层和电极结构，提高电池的整体性能。

3. 碳基材料在电化学储能中的应用电化学储能技术是目前广泛应用于电动汽车和可再生能源领域的一种能量储存和释放方式。

碳基材料在电化学储能中扮演着重要角色。

例如，石墨烯和碳纳米管作为电极材料，具有高导电性和良好的电化学稳定性，可用于超级电容器和锂离子电池等电化学储能设备。

此外，多孔碳材料也被广泛用于储氢和储锂等领域。

4. 碳基材料在化学催化中的应用碳基材料的高比表面积和可调控的化学成分使其成为优异的催化剂。

碳基材料可以通过控制孔隙结构、杂原子掺杂等方式，调节其催化性能。

例如，氮掺杂的碳材料可用作氧还原反应的催化剂，具有与贵金属相当的催化活性。

另外，石墨烯和碳纳米管也具有良好的电催化活性，可应用于二氧化碳还原和水分解等领域。

5. 碳基材料在环境治理中的应用碳基材料在环境治理中具有广泛的应用前景。

例如，碳纳米管可以用于重金属离子的吸附和催化降解有机污染物，具有良好的去除效果。

多孔碳材料由于其高比表面积和良好的孔隙结构，可以用于气体吸附、污水处理和储能材料等方面。

结论综上所述，碳基材料具有优异的导电性、调控性能以及催化活性，在电催化领域中具有广泛的应用潜力。

热处理碳纳米管耦合维生素B12作为氧还原反应电催化剂的性能分析段广彬;房雅婷;董凯;姜媛媛;陈传霞;倪朋娟;逯一中【摘要】开发成本低廉、性能优良的阴极氧还原电催化剂,替代昂贵的铂基催化剂,一直是燃料电池研究中的热点和难点,也是实现燃料电池商业化的关键之一.碳纳米材料负载过渡金属大环配位分子作为氧还原催化剂具有成本低、活性较高、导电性能好、稳定性高等优点.本研究利用维生素B12(VB12)中心的Co-Nx环状结构,以VB12作为活性位点的前驱体,以碳纳米管(CNT)为碳载体,通过高温热解制备了CNT-VB12复合材料.对此复合材料的形貌和组成进行了表征,并对其在碱性条件下的氧气还原电催化活性、稳定性及抗干扰性进行了分析.结果表明,CNT-VB12材料表现出高的氧还原反应(ORR)电催化活性.动力学研究结果表明,此复合材料通过几乎完全的4电子转移过程催化氧气还原为水,并且具有优于商业Pt/C的抗甲醇干扰性及稳定性,是一种有良好实际应用前景的燃料电池非贵金属氧还原电催化剂.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2019(047)005【总页数】6页(P719-724)【关键词】碳纳米管;维生素B12;氧还原反应;电催化剂【作者】段广彬;房雅婷;董凯;姜媛媛;陈传霞;倪朋娟;逯一中【作者单位】济南大学材料科学与工程学院,济南250022;济南大学材料科学与工程学院,济南250022;济南大学材料科学与工程学院,济南250022;济南大学材料科学与工程学院,济南250022;济南大学材料科学与工程学院,济南250022;济南大学材料科学与工程学院,济南250022;济南大学材料科学与工程学院,济南250022【正文语种】中文1 引言随着化石燃料的不断消耗，环境污染和能源枯竭等问题成为人类面临的严峻挑战[1]。

燃料电池具有高效的能量转化、生态友好等特点，引起人们的广泛关注[2,3]。

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于其燃料来源丰富、储存运输方便，被认为是最有可能实现商业化应用的燃料电池之一[4～6]。

碳纳米管的特性及其分析应用摘要碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。

关键词：碳纳米管；特性；仪器分析I一、引言碳纳米管（CNT,又名巴基管，于1991年被日本电子公司（NEC的饭岛博士发现。

是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。

由于其优异的力学、电学和光学特性，碳纳米管受到了越来越多的关注。

随着时间的推移，CNT的制备与表征手段越发完善，由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。

二、碳纳米管的制备方法其主要有三种制备方法：分别为电弧放电，激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。

（一）电弧放电电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。

但又不同于一般的燃烧现象，它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。

电弧放电实质上是一种气体放电现象，在一定条件下使两极之间的气体空间导电，是电能转化为热能和光能的的一种过程。

该方法包括以下具体步骤：对碳纳米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。

本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。

施加电压可为直流也可为交流，电压10〜10 0伏，电流0〜10安培。

本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。

（二）激光蒸发法激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法•用高能CC2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管，管径可由激光脉冲来控制。

激光脉冲间隔时间越短，得到的碳纳米管产率越高，而碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。

碳纳米管的应用研究现状1、储氢材料从90年代起，许多发达国家都制定了系统的氢能研究计划，其短期目标是氢燃料电池汽车的商业化。

现在利用氢能的障碍是氢气的规模化存储和运输。

按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5wt%或62Kg/m3，目前的储氢材料都不能满足这一要求。

碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%，有人认为在80K下，C/H比可达1/1（即8.25wt%）。

有人认为多壁碳纳米管储氢可达14wt%。

我们用NO反滴定法测定的多壁碳纳米管的储氢量在5wt%左右。

目前，根据理论推算和近期反复验证，大家普遍认为可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。

己经证实，碱金属嵌入碳纳米管会极大地提高其储氢性能。

2、场致发射碳纳米管具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置取代体积大、重量重的阴极电子管技术。

加州大学的研究人员证明碳纳米管具有稳定性好和抗离子轰击能力强等良好性能，可以在10-4Pa真空环境下工作，电流密度达到0.4A/cm3。

将碳纳米管沉积在一种高分子膜的阵列上，制成的显示器，在200V的工作电压下工作了200小时，电流密度可达10-2A/cm3。

目前，这一领域的研究已经接近产业化，日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达到的,他们预言在2001年将该种电视机推向市场。

将单壁碳纳米管在晶态金膜上组成阵列，可提供高达106A/cm3的电流密度。

用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。

毫无疑问，显示器的效果和利润会牵引碳纳米管走向千家万户，并很快形成新的产业。