碳纳米管负载高指数晶面结构凹立方体铂纳米晶催化剂的制备及其电催化性能研究
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摘要
燃料电池因其高效、洁净、兼容可再生能源技术等特点,在未来交通、运输、通讯等领域展示了广阔的应用前景。然而,燃料电池的发展至今依然受到催化剂的活性、耐久性以及成本等难题的限制。目前,商业燃料电池催化剂主要为Pt/C催化剂,而其稳定性欠佳,在燃料电池动电位扫描下会产生溶解、聚集、流失等现象,导致活性比表面积减少。此外,所使用的催化剂载体Vulcan XC 72碳黑,其在燃料电池实际工况下会产生氧化腐蚀,从而导致其担载的贵金属催化剂的流失与聚集,表现为催化剂颗粒长大,活性比表面积减小,显著影响了催化剂的活性和耐久性。因此,研制一种高性能、长寿命和低成本的新型燃料电池催化剂成为了近年来研究热点。近年来,人们通过对制备方法的改进,进行形貌控制,可有效地提高其活性与稳定性。孙世刚等人[1]利用高指数晶面Pt具有的开放的表面结构和高密度的台阶原子以及处于短程有序环境等特点,使催化剂的活性和稳定性方面均得到显著提高。而在碳载体方面,人们发现碳纳米管(CNT)因其独特的管状结构和良好的导电性能使其非常适于用作催化剂的载体[2],且研究表明Pt/CNT的稳定性明显好于Pt/C[3]。然而,高指数晶面的表面能很高,在晶体生长过程中难以形成,因此形状控制合成具有高指数晶面结构的纳米晶催化剂依然面临着巨大的挑战。低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents,DESs)属于一种简单的低共熔类离子液体,具有水溶液体系无法比拟的物理化学性质[4],如高导电率、黏度、表面张力、极性和热稳定性以及极低的蒸汽压等,在高指数晶结构纳米晶的形状控制合成方面体现出重要的研究价值[5,6]。本文旨在以低共熔溶剂为介质,通过电化学的方法合成新型碳纳米管负载高指数晶面结构铂基纳米晶催化剂,以期提高催化剂的活性和耐久性。如图1a所示,在不添加任何表面活性剂、晶种和其他化学试剂的条件下,采用电化学循环伏安法成功合成了碳纳米管负载凹立方体铂纳米晶催化剂。因凹立方体铂纳米晶的表面为高指数晶面,具有高密度的低配位数的台阶原子,以及碳纳米管的协同效应,所制备的碳纳米管负载凹立方体铂纳米晶催化剂对乙醇氧化表现出比商业铂黑催化剂和碳纳米管负载花状铂纳米晶催化剂具有更高的电催化活性(图1b)。本文研究结果对发展非水体系中碳纳米管负载铂基纳米晶催化剂的表面结构控制合成具有重要价值,揭示了催化剂的表面结构与反应性能之间的内在联系,所制备的Pt/CNT催化剂在直接燃料电池应用中显示出良好的应用前景。
引文
[1]Tian N,Zhou Z,Sun S,Ding Y,Wang Z,Science,2007,316:732-735.
[2]Yu R,Chen L,Liu Q,Chem.Mater.,1998,10:718-722.
[3]Wang X,Li W,Chen Z,Waje M,Yan Y,J.Power Sources,2006,158:154-159.
[4]Abbott A,Capper G,Davies D,Rasheed R,Tambyrajah V,Chem.Commun.,2003,1:70-71.
[5]Wei L,Zhou Z,Chen S,Xu C,Su D,Schuster M,Sun S,Chem.Commun.,2013,49,11152-11154.
[6]Wei L,Fan Y,Tian N,Zhou Z,Zhao X,Mao B,Sun S,J.Phys.Chem.C 2012,116,2040-2044.
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