过渡金属碳化物修饰Pd/CNTs对乙醇的电催化氧化作用(2)
随着全世界对能源的需求与日俱增和对环境保护的要求越来越高，以氢为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）取得了重大的进展[1]，而以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池（DEFC）也引起了人们的兴趣。然而，人们考虑到氢存在存储、运输和安全上的一系列问题，并且甲醇对人体有毒，因此人们试图将目光转向其他燃料，其中乙醇是一种比较理想的可用于燃料电池的燃料，直接以乙醇为燃料的燃料电池便称为直接乙醇燃料电池（DEFC）。
在烷基单羟基醇中，乙醇是一种最有希望代替甲醇的燃料，它可由农副产品，即所谓的生物质通过发酵制得，具有来源丰富，毒性低、含氢量高等优点，是一种完全可再生的资源，在某种条件下其电化学活性与甲醇接近。国内外已有成功采用乙醇作为内燃机燃料的实例，如能开发直接乙醇燃料电池，其部分基础设施仍可继续使用，对解决能源短缺和环境保护具有重要意义[2]。
纯Pt催化剂是目前公认的氧化活性最高、使用最广泛的催化剂平台[3]，反应动力学较慢和催化剂CO中毒是乙醇氧化的两大障碍，而Pt催化剂能快速地吸附催化反应中产生的CO并将其氧化成CO2，因此具有很高的氧化效率。虽然Pt金属催化剂活性很高，但容易使CO中毒失去活性，因而寿命不长。Pd被认为是Pt的重要替代材料之一。但由于Pd为贵金属，十分昂贵，期待能使用其他元素或化合物取代。
燃料电池是一种化学的发电装置，它会按照化学的方式直接将化学能转化成电能；燃料电池具有高效、环境友好、安静、可靠性高、能量密度高、操作方便等优点被认为是21世纪清洁和高效的发电技术。直接乙醇燃料电池（DEFC）的研究在近几年有了较大的发展。但由于催化剂活性比较低，想达到较高的催化活性则催化剂中贵金属使用的量就会增加，从而提高了DEFC的制作成本。因此研究新的催化剂的组成及新型载体，发展催化剂的制备技术，提高贵金属的利用率，对降低DEFC的成本，以及促进其商业化应用具有很重要的意义。
目前燃料电池以醇类作为燃料有两种不同的使用方式：一种是先将醇类物质经过重整改质的过程后变成富氢气体后再进入氢氧燃料电池发电，例如(质子交换膜燃料电池)PEMFC 或磷酸燃料电池(PAFC)；另一种方式则是直接将醇注入到燃料电池内进行电催化发电，而无须先经过任何燃料重整改质装置，这种电池就是我们通常讲的直接醇类燃料电池(DAFC)。严格意义上讲，直接醇类燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种，其膜电极组件 MEA 与 PEAFC 基本相同，只是燃料是醇(液态)而不是氢气(气态)，所以相应的燃料供应系统有所区别。基于燃料储存、运输以及供应方面的考虑，从实用的角度出发，液体燃料应该是首选的燃料。有机小分子(特别是甲醇和乙醇)来源丰富、价格便宜；容易携带和储存；氧化产生的最终产物是二氧化碳和水；可以直接利用现有的燃油供应系统。
严格意义上讲，直接醇类燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种，其膜电极组件 MEA 与 PEAFC 基本相同，只是燃料是醇(液态)而不是氢气(气态)，所以相应的燃料供应系统有所区别。基于燃料储存、运输以及供应方面的考虑，从实用的角度出发，液体燃料应该是首选的燃料。有机小分子(特别是甲醇和乙醇)来源丰富、价格便宜；容易携带和储存；氧化产生的最终产物是二氧化碳和水；可以直接利用现有的燃油供应系统。
直接乙醇燃料电池（DEFC）的基本结构。DEFC 由阳极，电解质膜和阴极构成。阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成。通常使用不同疏水性、亲水性的碳黑和聚四氟乙烯（PTFE）作为 DEFC 的阳极和阴极材料。DEFC 阳极室进料为乙醇和水，根据操作压力和温度的不同，可以是液相或者气相，阴极进料可以是氧气或者空气。乙醇和水通过阳极扩散层扩散至催化层（即电化学活性反应区域），发生电化学氧化反应，生成 CO2和 H+。CO2则通过阳极扩散层扩散回到阳极室中。而H+则在电场作用下通过电解质膜迁移到阴极催化剂层，并与阴极室通过阴极扩散层扩散而至的氧气发生反应生成水。同时，在这一过程中，乙醇在扩散和电渗作用下，从阳极渗透到了阴极，部分乙醇又在阴极催化剂层与氧气反应生成 CO2和水。