| 摘 要： | 高性能低成本的担载型铂基催化剂是直接甲醇燃料电池(DMFC)实用化过程中的一大挑战.利用高比表面积、高稳定性、容易负载金属的载体实现Pt颗粒的高度分散,既可提高催化剂的催化性能,又可提高Pt的利用率以降低成本,是担载型Pt基催化剂实用化的有效途径.碳材料是一种常用的催化剂载体,近年来我们课题组发展了一种高性能的碳纳米笼材料,并可通过异原子掺杂调变其表面性能,提高其活性和负载能力.我们采用原位氧化镁模板法制备氮掺杂碳纳米笼:以具有多级结构的碱式碳酸镁作为氧化镁模板的前体,吡啶为碳源和氮源,经高温热解沉积,在原位形成的氧化镁模板表面形成氮掺杂的石墨化碳纳米薄层;经稀盐酸浸泡并洗涤,获得高纯度的氮掺杂碳纳米笼.氮掺杂碳纳米笼具有分等级的微纳米结构、高导电性、高比表面积和可调变的孔结构,结合表面氮原子的锚钉作用,氮掺杂碳纳米笼有望成为电化学催化剂Pt的优良载体.在前期研究基础上,本文探索多级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为新型载体负载Pt的能力,并评价所构建的负载型催化剂Pt/hNCNC的电催化性能.通过简便的微波辅助多元醇还原法,将氯铂酸还原成Pt纳米粒子负载于hNCNC的表面.为了揭示氮掺杂的效应,我们对比研究了具有相似分级结构但无掺杂的碳纳米笼(hCNC)以及商业化活性炭(Valcan XC-72)作为载体的情况.经热重(TG)和X射线光电子能谱(XPS)分析,三种催化剂Pt/hNCNC、Pt/h CNC和Pt/XC-72的负载量均接近理论负载量(23.1 wt%),都主要以金属态存在.然而,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,Pt/hNCNC的Pt分散状态优于Pt/h CNC,更远优于Pt/XC-72.Pt/hNCNC的平均Pt粒径最小,仅约3.3 nm.这种良好的分散状态主要得益于氮原子掺杂,高负电性的氮原子改变了局域的表面极性,有利于Pt颗粒的成核,也有利于固定Pt颗粒.由于hNCNC对Pt的优异分散能力,Pt/hNCNC表现出高的电化学活性面积.氢吸附和一氧化碳溶出伏安曲线表明,Pt/hNCNC的电化学活性面积高于Pt/h CNC和Pt/XC-72,这与显微观察和X射线衍射(XRD)结果相吻合.Pt/hNCNC展现出优异的甲醇电催化氧化活性和高稳定性,其催化电流明显高于Pt/h CNC和Pt/XC-72,电流衰减亦慢于Pt/h CNC和Pt/XC-72.hNCNC的分级微纳米结构有利于孔内传质和电子输运,从而提高反应速度.hNCNC的氮掺杂有利于Pt在载体表面的分散,增强了载体-金属相互作用,提高了电化学活性面积和催化活性.为了进一步考察hNCNC对Pt的负载能力,本文还考察了高负载量Pt/hNCNC的性能.在负载量高达60 wt%时,Pt/hNCNC中的Pt颗粒仍无明显聚集,其甲醇氧化电流增加了30%,可以有效提高DMFC的输出电流密度.综上可见,hNCNC可以有效分散并稳定Pt颗粒,从而提高电化学活性面积和甲醇电催化氧化活性,优于未掺杂的碳纳米笼和传统碳材料,展示了hNCNC高分散Pt颗粒用作DMFC的高效阳极催化剂的重要前景,也表明hNCNC有望成为应用广泛的新型载体.
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