近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員梁長(zhǎng)浩課題組在高分散超細(xì)鉑/二氧化錫/還原石墨烯復(fù)合材料(Pt/SnO2/rGO)研究方面取得新的進(jìn)展，相關(guān)論文已在Nano Energy上發(fā)表(Nano Energy, 2016, 26, 699-707)。
燃料電池作為高效、安全、清潔的化學(xué)能源而受到眾多研究者的廣泛關(guān)注。其中，直接甲醇燃料電池(DMFC)以液態(tài)的甲醇為燃料，在室溫下就可將甲醇的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。DMFC中常用的Pt基催化劑卻面臨著催化活性低、穩(wěn)定性差、制作成本高與易CO中毒的困局。
科研人員通過(guò)不斷的努力，發(fā)展了可有效提高Pt基催化劑催化效率的途徑，包括以下幾種：(1)合理調(diào)節(jié)Pt基催化劑的尺寸，在一定范圍內(nèi)，降低Pt基催化劑的粒徑，不但其比表面積和邊/角原子的數(shù)量會(huì)隨之增加，有助于實(shí)現(xiàn)Pt催化效率的最大化，而且能減少催化劑中貴金屬Pt的使用量，進(jìn)而降低催化劑的制作成本;(2)加入金屬氧化物(TiO2、SnO2、SiO2、CeO2等)，氧化物的表面能吸附大量的含氧基團(tuán)(如：羥基)，有利于甲醇氧化過(guò)程中含C中間產(chǎn)物的進(jìn)一步氧化，從而提高Pt基催化劑的抗CO中毒能力，同時(shí)金屬氧化物的添加可以促進(jìn)Pt的分散，增加單位質(zhì)量Pt的活性位點(diǎn)并降低制備成本;(3)選擇合適的催化劑載體，石墨烯(Graphene)是具有二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳納米材料，其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)使其成為優(yōu)良的Pt基催化劑載體，其大的比表面積有利于提高Pt基催化劑的分散度，優(yōu)良的導(dǎo)電性能很好地促進(jìn)電子的傳輸，特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)的流動(dòng)，穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)有利于催化劑穩(wěn)定性的提升?？紤]到超細(xì)Pt顆粒增大的表面自由能會(huì)導(dǎo)致Pt顆粒的團(tuán)聚，同時(shí)金屬氧化物的電傳導(dǎo)性差，人們開(kāi)始嘗試將這幾種方法結(jié)合在一起。然而，在制備過(guò)程中，總是存在Pt顆粒被石墨烯吸附優(yōu)先生長(zhǎng)，或者Pt顆粒表面附著有大量表面活性劑的問(wèn)題。因此，若是既可以實(shí)現(xiàn)金屬氧化物在石墨烯上的均勻分散，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超細(xì)Pt顆粒選擇性地在金屬氧化物上均勻分散，將有可能發(fā)展更加高效的適用于DMFC陽(yáng)極的Pt基催化劑。
循著這個(gè)思路，研究人員基于課題組多年發(fā)展的液相激光熔蝕(Laser ablation in liquids, LAL)技術(shù)，設(shè)計(jì)了獨(dú)特且綠色的構(gòu)筑策略，獲得高分散超細(xì)鉑/二氧化錫/還原石墨烯復(fù)合材料催化劑。該合成方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)在整個(gè)合成過(guò)程中，無(wú)需加入其它的還原劑、穩(wěn)定劑以及表面活性劑，避免了傳統(tǒng)還原劑還原貴金屬離子易產(chǎn)生副產(chǎn)物污染的缺點(diǎn)，也避免了催化劑表面因吸附活性劑而導(dǎo)致催化活性降低的缺點(diǎn);(2)原位界面反應(yīng)使得Pt特異性地在SnO2表面發(fā)生還原，形成的Pt-SnO2接觸更加有利于發(fā)揮其界面處的協(xié)同作用，進(jìn)而有效提高催化劑的抗CO中毒能力;(3)制備的Pt納米顆粒具有很高的分散度和超細(xì)的粒徑，通過(guò)改變反應(yīng)前驅(qū)體中PtCl62-的濃度，可實(shí)現(xiàn)SnO2表面Pt納米顆粒尺寸和負(fù)載量的有效調(diào)控，從而得到一系列的Pt/SnO2/rGO納米復(fù)合材料。
得益于Pt納米顆粒均勻的分布和超細(xì)的粒徑(1-2 nm)，合成的Pt/SnO2/rGO催化劑具有很大的電化學(xué)活性面積(圖2a)，且對(duì)甲醇氧化展現(xiàn)出很高的催化活性(圖2b)。此外，通過(guò)該合成方法得到的Pt催化劑與SnO2載體界面處的協(xié)同作用能有效提高Pt催化劑的抗CO中毒能力。因此，與Pt/rGO催化劑相比，Pt/SnO2/rGO催化劑對(duì)甲醇氧化均展現(xiàn)出更好的循環(huán)性能(圖2c和d)。該方法為超細(xì)貴金屬催化劑的發(fā)展提供了新的研究思路。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
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